JP2017072586A - Locally imaging structure in sample at high spatial resolution - Google Patents
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Abstract
Description
関連出願の相互参照
本出願は、2015年9月22日に出願されたドイツ特許出願第10 2015 116 023.4号明細書、及び2016年3月7日に出願されたドイツ特許出願第10 2016 104 100.9号明細書の優先権を主張する。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is based on German Patent Application No. 10 2015 116 023.4 filed on September 22, 2015 and German Patent Application No. 10 2016 filed on March 7, 2016. 104 claims the priority of 100.9.
本開示は、構造がルミネセンスマーカーでマークされた、サンプル中の構造を空間高解像度画像化する方法に関する。さらに、本開示は、この方法を行うための走査型ルミネセンス光学顕微鏡に関する。 The present disclosure relates to a method for spatial high resolution imaging of structures in a sample where the structures are marked with luminescence markers. The present disclosure further relates to a scanning luminescence optical microscope for performing this method.
本発明は、高解像度走査型ルミネセンス光学顕微鏡法の分野に属し、ここでは、それぞれのサンプルから放出されるルミネセンス光の波長と、空間的に限られたエリアにおけるルミネセンス光の放出のためにルミネセンスマーカーがそれによって励起される何らかの励起光の波長とにおいて回折バリアよりも高い空間解像度で、ルミネセンス光をサンプル中のロケーションに割り当てることを可能にする手段が取られる。しばしば、ルミネセンスマーカーは、励起光による励起の後にルミネセンス光として蛍光光を放出する蛍光マーカーである。その場合、1つは蛍光顕微鏡法を参照する。 The present invention belongs to the field of high-resolution scanning luminescence optical microscopy, where the wavelength of luminescence light emitted from each sample and the emission of luminescence light in a spatially limited area. Measures are taken that allow luminescent light to be assigned to locations in the sample with higher spatial resolution than the diffraction barrier at the wavelength of any excitation light by which the luminescent marker is excited. Often, a luminescent marker is a fluorescent marker that emits fluorescent light as luminescent light after excitation by excitation light. In that case, one refers to fluorescence microscopy.
構造がルミネセンスマーカーでマークされた、サンプル中の構造を空間高解像度画像化するための知られている方法及び走査型ルミネセンス光学顕微鏡では、空間解像度を増加させるために、零点と零点に近接する強度最大値とを有する強度分布で、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光がサンプル上に導かれる。しばしば、この光は、零点の外側にあるすべてそれらのルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出を抑制するルミネセンス抑制光である。サンプルから放出されるルミネセンス光は、そこに位置するルミネセンスマーカーのみがルミネセンス光を放出することが可能であるので、したがってサンプル中の零点のロケーションに割り当てられ得る。 Known methods for spatial high-resolution imaging of structures in samples, where structures are marked with luminescence markers, and scanning luminescence optical microscopy, approach zeros and zeros to increase spatial resolution With the intensity distribution having a maximum intensity value, light that influences the emission of luminescent light is directed onto the sample by the luminescence marker. Often this light is luminescence-suppressing light that suppresses the emission of luminescent light by all those luminescent markers outside the zero. The luminescent light emitted from the sample can therefore be assigned to the location of the zero point in the sample, since only the luminescent markers located there can emit luminescent light.
STED蛍光顕微鏡法では、例えば、励起光によって以前に励起された蛍光マーカーは、零点のエリア中にある蛍光マーカーのみが、その後に測定された蛍光光を放出していることがあるように、零点のエリア中の蛍光マーカー以外は、蛍光抑制光として誘導光によって再び逆励起される。この蛍光光は、したがって、サンプル中の零点のロケーションに割り当てられ得る。サンプル内の蛍光マーカーの空間分布は、零点でサンプルを走査することによって決定される。このようにして、蛍光マーカーでマークされる、サンプル中の構造の形状及び空間分布が画像化され得る。 In STED fluorescence microscopy, for example, a fluorescent marker previously excited by excitation light is such that only the fluorescent marker in the zero point area may emit fluorescence light measured thereafter. Except for the fluorescent marker in the area, reverse excitation is again performed by the induced light as the fluorescence suppression light. This fluorescent light can therefore be assigned to the location of the zero point in the sample. The spatial distribution of fluorescent markers within the sample is determined by scanning the sample at zero. In this way, the shape and spatial distribution of the structures in the sample that are marked with fluorescent markers can be imaged.
GSD蛍光顕微鏡法では、蛍光抑制光は、零点のエリア外の蛍光マーカーが励起光によって蛍光光の放出のためにもはや興奮性でなくなるように、それらの蛍光マーカーを電子的暗状態に移す。 In GSD fluorescence microscopy, fluorescence suppression light shifts the fluorescent markers to an electronic dark state so that the fluorescent markers outside the zero area are no longer excitable due to the emission of fluorescent light by the excitation light.
RESOLFT蛍光顕微鏡法では、零点のエリア中の蛍光マーカー以外は、フォトクロミック蛍光マーカーを蛍光状態から非蛍光状態に移す蛍光抑制光が使用される。蛍光マーカーがその後に励起光を受けたとき、蛍光抑制光の強度分布の零点のエリア中の蛍光マーカーのみが、励起光によって蛍光光の放出のために励起される。したがって、サンプル中の蛍光マーカーによって放出される蛍光光も、ここで、サンプル中の蛍光抑制光の強度分布の零点のロケーションに割り当てられ得る。 In RESOLFT fluorescence microscopy, fluorescence suppression light that moves the photochromic fluorescent marker from the fluorescent state to the non-fluorescent state is used except for the fluorescent marker in the zero point area. When the fluorescent marker subsequently receives excitation light, only the fluorescent marker in the area of the zero point of the intensity distribution of the fluorescence suppression light is excited for emission of the fluorescent light by the excitation light. Thus, the fluorescent light emitted by the fluorescent marker in the sample can also be assigned here to the location of the zero point of the intensity distribution of the fluorescence suppression light in the sample.
ここまで説明された高空間解像度走査型ルミネセンス光学顕微鏡法のすべての方法では、それぞれのサンプル中のルミネセンスマーカーがルミネセンス光をもはや放出することができなくなるように、それらのルミネセンスマーカーを一時的に又は永続的にさえ漂白する、すなわち、それらのルミネセンスマーカーを非アクティブにする、本質的危険がある。この危険は、ルミネセンス光の放出から零点のエリア外のすべてのルミネセンスマーカーを停止するために、またルミネセンスマーカーが依然としてルミネセンス光をそこから放出し得る零点のエリアの寸法を強く空間的に画定するために、ルミネセンス抑制光の強度が極めて高い必要があることに起因する。この高い強度では、ルミネセンス抑制光の零点のエリアがルミネセンスマーカーにより近づくとき、すなわち、ルミネセンスマーカーが初めて零点のエリア中に入る前に、したがって、初めて登録されたルミネセンスマーカーによってルミネセンス光が放出されるより前にすでに、ルミネセンス抑制光は、サンプル中のルミネセンスマーカーにすでに応力を加えている。これは、漂白する傾向を有するルミネセンスマーカーが空間解像度を最大化するために望ましいので、それらのルミネセンスマーカーが、説明する方法においてまったく使用されないことがあるか、又は少なくともルミネセンス抑制光の高い強度とともに使用されないことがあるという結果を有し得る。 In all the methods of high spatial resolution scanning luminescence optical microscopy described so far, the luminescent markers in the respective samples can be used so that the luminescent markers can no longer emit luminescent light. There is an inherent danger of bleaching temporarily or even permanently, ie deactivating their luminescent markers. This danger is due to stopping all luminescent markers outside the zero point area from emission of luminescent light, and strongly increasing the size of the zero point area from which the luminescent marker can still emit luminescent light. This is due to the fact that the intensity of the luminescence suppression light needs to be extremely high. At this high intensity, when the zero point area of the luminescence suppression light comes closer to the luminescent marker, i.e. before the luminescent marker enters the zero point area for the first time and therefore by the first registered luminescence marker, Already before the emission of luminescence, the luminescence suppression light has already stressed the luminescence markers in the sample. This is because luminescent markers that have a tendency to bleach are desirable to maximize spatial resolution, so they may not be used at all in the described method, or at least high in luminescence-suppressing light. It can have the result that it may not be used with strength.
高解像度走査型ルミネセンス光学顕微鏡法における一時的漂白及び特に永続的漂白の説明した問題を回避するために、いくつかの手法が追求された。同じパテントファミリーに属する、ドイツ特許出願公開第10 2005 027 896号明細書及び米国特許第7,719,679号明細書は、サンプルの同じエリアが、最適化された時間繰り返し間隔で、零点に近接する最大値における蛍光抑制光の高い強度のみを受けるように、比較的長い時間間隔で、又は誘導光の強度分布の零点でそれぞれのサンプルを極めて高速に走査しながら、パルス中でSTED蛍光顕微鏡法においてサンプルに誘導光を適用することを教示している。このようにして、蛍光マーカーが誘導光によるさらなる励起によって励起中間状態から永続的又は低速減衰のみの暗状態に入るレートがかなり低減されるので、サンプルから取得可能な蛍光強度光は増加される。言い換えれば、サンプルの各個々のエリアが蛍光抑制光の強度分布を受ける比較的長い繰り返し間隔によって、ある時間期間内にサンプル全体から取得可能な蛍光光の全体的な量が最大化される。この手順は、蛍光マーカーの光化学的破壊がそれから起こり得る励起状態のより高い分布が回避されるので、漂白する蛍光マーカーの傾向をも低減する。 Several approaches have been pursued to avoid the described problems of temporary bleaching and particularly permanent bleaching in high resolution scanning luminescence optical microscopy. DE 10 2005 027 896 and U.S. Pat. No. 7,719,679 belonging to the same patent family show that the same area of the sample is close to the zero point with an optimized time repetition interval. STED fluorescence microscopy in pulse while scanning each sample at a relatively long time interval or at the zero point of the intensity distribution of the guide light so as to receive only the high intensity of fluorescence suppression light at the maximum value Teaches the application of guided light to the sample. In this way, the fluorescence intensity light obtainable from the sample is increased since the rate at which the fluorescent marker enters the dark state with only permanent decay or only slow decay from further excitation by the induced light is significantly reduced. In other words, the relatively long repetition interval at which each individual area of the sample receives the intensity distribution of the fluorescence suppression light maximizes the overall amount of fluorescent light that can be obtained from the entire sample within a period of time. This procedure also reduces the tendency of the fluorescent marker to bleach because a higher distribution of excited states from which photochemical destruction of the fluorescent marker can occur is avoided.
漂白する傾向がある蛍光マーカーでも高空間解像度蛍光顕微鏡法を行うために、同じパテントファミリーに属する、ドイツ特許出願公開第10 2011 051 086号明細書及び米国特許出願公開第2014/0097358号明細書は、個々に検出可能な光子として蛍光抑制光の強度分布の零点のエリアから蛍光光が放出されるような方法で、サンプルが走査される走査速度及び蛍光抑制光の強度分布の光強度のほかに、サンプル内の蛍光マーカーの特性及び濃度を含めて、互いに関して走査条件を調整することを教示している。蛍光マーカーでマークされた、サンプル中の構造の画像は、次いで、零点のロケーションから構成され、それらのロケーションには、零点でサンプルを走査するいくつかの反復中に、検出された光子が割り当てられる。このようにして、蛍光マーカーを漂白する確率は、蛍光マーカーが零点に達し、したがって初めて測定される前に、低減される。これは、漂白の確率が、個々の蛍光マーカーから取得される蛍光光の強度に相関することに起因する。蛍光光が個々の光子に最小化されるので、漂白の危険も最小化される。概して、しかしながら、ドイツ特許出願公開第10 2011 051 086号明細書及び米国特許出願公開第2014/0097358号明細書からの知られている方法では、蛍光抑制光の零点は、零点に近接する蛍光抑制光の強度最大値のエリア中で零点が高い強度を以前に受けた後に、依然として個々の蛍光マーカーに達するのみである。 In order to perform high spatial resolution fluorescence microscopy even with fluorescent markers that tend to bleach, DE 10 2011 051 086 and US 2014/0097358, which belong to the same patent family, In addition to the scanning speed at which the sample is scanned and the light intensity of the fluorescence suppression light intensity distribution, the fluorescence light is emitted from the zero area of the fluorescence suppression light intensity distribution as individually detectable photons. Teaches adjusting the scanning conditions relative to each other, including the properties and concentration of the fluorescent markers in the sample. The image of the structure in the sample, marked with a fluorescent marker, is then composed of zero locations, which are assigned detected photons during several iterations of scanning the sample at zero. . In this way, the probability of bleaching the fluorescent marker is reduced before the fluorescent marker reaches zero and is therefore measured for the first time. This is due to the fact that the probability of bleaching correlates with the intensity of fluorescent light obtained from individual fluorescent markers. Since fluorescent light is minimized to individual photons, the risk of bleaching is also minimized. In general, however, in the known methods from DE 10 2011 051 086 and U.S. Patent Application 2014/0097358, the zero of the fluorescence suppression light is a fluorescence suppression close to the zero. It still only reaches the individual fluorescent markers after the zero has previously received a high intensity in the area of maximum light intensity.
高空間解像度走査型ルミネセンス光学顕微鏡法において漂白が起こりやすい物質を使用することも可能になるために、同じパテントファミリーに属する、国際特許出願公開第2011/131591号明細書及び米国特許第9,024,279号明細書から、注目する構造がルミネセンスマーカーでマークされたサンプルにわたって測定フロントを移動することが知られている。測定フロントでは、光信号の強度は、ルミネセンス光を放出するルミネセンスマーカーの一部分が、最初にルミネセンスマーカーをルミネセンス状態に移し、次いでルミネセンスマーカーを非ルミネセンス状態に移すことによって、非存在から開始して増加され、次いで再び非存在に低減され戻されるような方法で、光信号の波長において回折バリアよりも小さい測定フロントの深さにわたって増加する。測定フロントのエリアからのルミネセンス光は登録され、サンプル中の測定フロントのそれぞれの位置に割り当てられる。測定フロントに沿ったあるロケーションへのルミネセンス光の割当ても、例えば、GSDIMとして知られる光学顕微鏡法の場合と同じ方法で、登録された光子を単一のルミネセンスマーカーに割り当てることによって、回折バリアを越える空間解像度で行われ得る。 Since it is also possible to use materials that are susceptible to bleaching in high spatial resolution scanning luminescence optical microscopy, International Patent Application Publication No. 2011/131159 and US Pat. It is known from US Pat. No. 024,279 that the structure of interest moves the measurement front over a sample marked with a luminescence marker. At the measurement front, the intensity of the light signal is reduced by a portion of the luminescent marker that emits luminescent light by first moving the luminescent marker to the luminescent state and then moving the luminescent marker to the non-luminescent state. In such a way that it is increased starting from presence and then reduced back to non-existence, it increases over the depth of the measurement front, which is smaller than the diffraction barrier, at the wavelength of the optical signal. Luminescent light from the area of the measurement front is registered and assigned to each position of the measurement front in the sample. The assignment of luminescent light to a location along the measurement front can also be achieved by assigning registered photons to a single luminescent marker, for example in the same way as in optical microscopy known as GSDIM. Can be performed at spatial resolutions exceeding.
走査型ルミネセンス光学顕微鏡法においてサンプルの注目する構造を画像化する速度を増加させるオプションは、ルミネセンス抑制光の複数の零点でサンプルを並列に走査することである。ここで、サンプルから放出されるルミネセンス光は、ルミネセンス抑制光の個々の零点に別々に割り当てられる。同じパテントファミリーに属する、ドイツ特許第10 2006 009 833号明細書ならびに米国特許第7,903,247号明細書及び第7,646,481号明細書から、ルミネセンス抑制光の2つの直交ラインパターンがサンプル内に重畳されるという点で、零点のグリッドでルミネセンス抑制光の強度分布を形成することが知られている。2つのラインパターンの光の間の干渉は、それらのパターンの強度分布が単に加算されるように回避される。ルミネセンス抑制光の強度分布の所望の零点は、両方のライン格子のライン形の零点の交差点に残り、それらは、ルミネセンス抑制光の近接する強度最大値によって画定される。零点のグリッド形の配置のエリア中のサンプルを完全に走査するためには、2つのラインパターンの2つの方向において各零点をそれの最近傍までの距離にわたってシフトすれば十分である。この場合も、サンプル中のルミネセンスマーカーの大部分は、ルミネセンスマーカーが初めて登録されるように零点のうちの1つがルミネセンスマーカーに達する前に、ルミネセンス抑制光の高い光強度を受ける。したがって、ルミネセンスマーカーは、それらのルミネセンスマーカーが漂白なしにこれらの高い光強度に耐えるように選択されるべきである。 An option to increase the speed of imaging the structure of interest in a sample in scanning luminescence optical microscopy is to scan the sample in parallel with multiple zeros of luminescence suppression light. Here, the luminescence light emitted from the sample is assigned separately to each zero point of the luminescence suppression light. From German Patent No. 10 2006 009 833 and US Pat. Nos. 7,903,247 and 7,646,481 belonging to the same patent family, two orthogonal line patterns of luminescence suppression light It is known that the intensity distribution of the luminescence suppression light is formed by a grid of zero points in that it is superimposed on the sample. Interference between the light of the two line patterns is avoided so that the intensity distributions of those patterns are simply added. The desired zero of the intensity distribution of the luminescence suppression light remains at the intersection of the line shaped zeros of both line gratings, which are defined by the adjacent intensity maximum of the luminescence suppression light. To completely scan a sample in an area of a grid of zeros, it is sufficient to shift each zero over the distance to its nearest neighbor in the two directions of the two line patterns. Again, the majority of the luminescence markers in the sample are subjected to a high intensity of luminescence suppression light before one of the zeros reaches the luminescence marker so that the luminescence marker is registered for the first time. Therefore, luminescent markers should be selected so that they can withstand these high light intensities without bleaching.
Li Dら: Extended−resolution structured illumination imaging of endocytic and cytoskeletal dynamics、Science 2015 Aug 28; 349(6251)は、サンプル中の構造を空間高解像度画像化する方法を開示し、構造は、アクティブ化可能な蛍光マーカーでマークされ、サンプルは、異なる方向における蛍光アクティブ化光及び蛍光抑制光の光強度分布の一致するライン形又は平面形の零点で連続的に走査され、サンプルによって放出される蛍光光はカメラで登録される。登録された光強度を評価することによって、サンプル中の注目する構造の画像が再構成され得、その画像の空間解像度は、蛍光光がサンプルから放出されない、蛍光アクティブ化光及び蛍光励起光の一致する零点を絞ることに起因して増加される。さらに、この知られている方法では、蛍光アクティブ化光と、同時に蛍光非アクティブ化光として働く蛍光励起光との零点は、蛍光アクティブ化光及び蛍光励起光の強度最大値によって画定される。サンプル中のすべてのルミネセンスマーカーは、それらのルミネセンスマーカーが蛍光アクティブ化光及び蛍光励起光の一致する零点のエリアに入る前に、これらの強度最大値のエリア中の蛍光アクティブ化光及び蛍光励起光の高い強度を受ける。したがって、関係する測定信号に蛍光マーカーが寄与する前に、蛍光マーカーを漂白する危険は、この知られている方法でも極めて高い。 Li D et al .: Extended-resolution structured illumination imaging of endocetic and citoskeletal dynamics, Science 2015 Aug 28; 349 (6251) The sample is marked with a fluorescent marker, and the sample is continuously scanned with a line or plane zero that matches the light intensity distribution of the fluorescence activation light and fluorescence suppression light in different directions, and the fluorescent light emitted by the sample is a camera It is registered with. By evaluating the registered light intensity, an image of the structure of interest in the sample can be reconstructed, and the spatial resolution of that image matches the fluorescence activation light and the fluorescence excitation light, where no fluorescent light is emitted from the sample. It is increased due to narrowing the zero point. Further, in this known method, the zero point of the fluorescence activation light and the fluorescence excitation light that simultaneously serves as the fluorescence deactivation light is defined by the intensity maximum values of the fluorescence activation light and the fluorescence excitation light. All luminescent markers in the sample will have their fluorescence activation light and fluorescence in these intensity maximum areas before they enter the zero area where the fluorescence activation light and fluorescence excitation light coincide. Receives high intensity of excitation light. Therefore, the risk of bleaching the fluorescent marker before it contributes to the relevant measurement signal is also very high with this known method.
同じパテントファミリーに属する、国際特許出願公開第2014/108455号明細書及び米国特許第9,267,888号明細書は、サンプル中の構造を高空間解像度画像化する方法を開示し、構造はルミネセンスマーカーでマークされ、サンプルは、STED蛍光顕微鏡法におけるように、励起光を受け、ルミネセンス抑制光として誘導光を受けて、サンプルのエリアが低減され、サンプルからそのエリアに放出され検出される蛍光光は、誘導光の零点のエリアに割り当てられ得る。零点に近接するそれの最大値のエリア中の誘導光の高い強度に対してルミネセンスマーカーを保護するために、サンプルは、誘導光の零点に一致する局所最小値を強度分布が有する励起抑制光をさらに受ける。この励起抑制光は、特に、励起抑制光の最小値の外側にある切替え可能ルミネセンスマーカーを非アクティブ状態に切り替えるスイッチオフ光であり得、この非アクティブ状態では、それらのルミネセンスマーカーは、励起光によって蛍光光の放出のために興奮性でない。特に、ルミネセンスマーカーは、それらのルミネセンスマーカーが高空間解像度RESOLFT蛍光顕微鏡法において使用されるような切替え可能蛍光色素であり得る。国際特許出願公開第2014/108455号明細書及び米国特許第9,267,888号明細書からの知られている方法では、しかしながら、ルミネセンスマーカーの切替え可能性は、空間解像度を増加させるためにではなく、誘導光の高い強度に起因する漂白に対してルミネセンスマーカーを保護するために主に使用される。 WO 2014/108455 and US Pat. No. 9,267,888, which belong to the same patent family, disclose a method for high spatial resolution imaging of structures in a sample, wherein the structures are luminescent. Marked with a sense marker, the sample receives excitation light and receives induced light as luminescence suppression light, as in STED fluorescence microscopy, and the area of the sample is reduced and emitted from the sample to that area and detected The fluorescent light can be assigned to the area of the zero point of the guide light. In order to protect the luminescent marker against the high intensity of the guided light in the area of its maximum value close to the zero, the sample is an excitation-suppressed light whose intensity distribution has a local minimum corresponding to the zero of the guided light Receive more. This excitation suppression light may in particular be a switch-off light that switches a switchable luminescence marker that is outside the minimum value of the excitation suppression light to an inactive state, in which these luminescence markers are excited Not excitable due to the emission of fluorescent light by light. In particular, the luminescent markers can be switchable fluorescent dyes such that they are used in high spatial resolution RESOLFT fluorescence microscopy. In known methods from WO 2014/108455 and U.S. Pat. No. 9,267,888, however, the switchability of luminescent markers is to increase spatial resolution. Rather, it is mainly used to protect luminescent markers against bleaching due to high intensity of induced light.
R A Hoebeら: Controlled light−exposure microscopy reduces photobleaching and phototoxicity in fluorescence live−cell imaging, Nature Biotechnology、Volume 25、No. 2、2007年2月、249〜253ページは、共焦点蛍光顕微鏡法の方法を開示し、サンプル中の構造を画像化するために合焦した励起光でサンプルは走査され、構造はルミネセンスマーカーでマークされる。ここで、サンプル中の励起ルミネセンスマーカーによって放出され検出器によって登録された光子の数が、所望の信号対雑音比に対応する上限しきい値に達するすぐに、励起光は、サンプル内の合焦した励起光の各位置においてオフに切り替えられる。放出され登録された光子の数が、最大ピクセル滞在時間の所定の部分内に下限しきい値に達しない場合、これは、合焦した励起光のそれぞれの位置においてサンプル中にルミネセンスマーカーの関係する濃度が見つからないことを示すので、励起光はやはりオフに切り替えられる。このようにして、励起光によるサンプルの負荷は、各位置において同じ量の光をサンプルにかけることと比較して、かなり低減される。 RA Hoeve et al .: Controlled light-exposure microscopic reduces photobleaching and phototoxicity in live-cell imaging, Nature Biotechnol 25, Nature Biotechnol. 2, February 2007, pages 249-253 disclose a method of confocal fluorescence microscopy, where the sample is scanned with focused excitation light to image the structure in the sample, and the structure is a luminescent marker. Marked with Here, as soon as the number of photons emitted by the excitation luminescence marker in the sample and registered by the detector reaches the upper threshold corresponding to the desired signal-to-noise ratio, the excitation light will be reflected in the sample. It is switched off at each position of the focused excitation light. If the number of emitted and registered photons does not reach the lower threshold within a predetermined portion of the maximum pixel dwell time, this is related to the luminescent marker in the sample at each position of the focused excitation light. The excitation light is still switched off because it indicates that no concentration is found. In this way, the loading of the sample by the excitation light is significantly reduced compared to applying the same amount of light to the sample at each location.
T. Staudtら: Far−field optical nanoscopy with reduced number of state transition cycles、Optics Express Vol. 19、No. 6、2011年3月14日、5644〜5657ページは、共焦点蛍光顕微鏡法のためのR A Hoebeらによって説明された方法をSTED蛍光顕微鏡法に移す、RESCue−STEDと呼ばれる方法を開示する。ここで、サンプルは、必要又は好適である限り、誘導光の高い強度のみを受ける。 T. T. Staudt et al .: Far-field optical nanoscopic with reduced number of state transition cycles, Optics Express Vol. 19, no. 6, March 14, 2011, pages 5644-5657, discloses a method called RESCue-STED, which transfers the method described by RA Hoeve et al. For confocal fluorescence microscopy to STED fluorescence microscopy. Here, the sample only receives a high intensity of guided light as long as necessary or preferred.
構造がルミネセンスマーカーでマークされた、サンプル中の構造を高空間解像度画像化する方法と、そのような方法を実行するための走査型ルミネセンス光学顕微鏡とが依然として必要であり、例えば、生物学的プロセスの過程中に構造の変化を監視するために、高い光強度に敏感であるルミネセンスマーカーさえ使用され得、及び/又はそれぞれのサンプル中の構造が繰り返し画像化され得るように、高い光強度によるサンプル中のルミネセンスマーカーへの負荷は概して低減される。 There remains a need for a method of high spatial resolution imaging of structures in a sample where the structures are marked with luminescence markers, and a scanning luminescence optical microscope to perform such methods, for example, biology High light intensity so that even luminescent markers sensitive to high light intensity can be used and / or structures in each sample can be repeatedly imaged to monitor structural changes during the process. The load on the luminescent marker in the sample due to intensity is generally reduced.
本発明は、構造がルミネセンスマーカーでマークされた、サンプル中の構造を高解像度画像化する方法を提供する。本方法は、零点と少なくとも1つの方向において零点に近接する強度最大値とを有する強度分布で、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光をサンプル上に導くことと;零点で走査エリアを走査することであって、走査エリアがサンプルの一部である、ことと;走査エリアを走査している間に、サンプル中に零点を含む局所エリアから放出されるルミネセンス光を登録することと;登録されたルミネセンス光をサンプル中の零点のそれぞれのロケーションに割り当てることとを含む。強度最大値がサンプル中の零点に近接する少なくとも1つの方向における走査エリアの寸法は、それらの寸法が少なくとも1つの方向において強度最大値の距離の75%よりも大きくならないように限定される。 The present invention provides a method for high resolution imaging of structures in a sample in which the structures are marked with luminescent markers. The method includes directing light on a sample that influences the emission of luminescent light with a luminescence marker in an intensity distribution having a zero and an intensity maximum close to the zero in at least one direction; scanning at the zero Scanning the area, where the scanning area is part of the sample; while scanning the scanning area, register the luminescent light emitted from the local area including the zero in the sample And assigning the registered luminescent light to each location of the zero in the sample. The dimensions of the scanning area in at least one direction where the intensity maximum is close to the zero point in the sample are limited such that those dimensions do not exceed 75% of the distance of the intensity maximum in at least one direction.
本発明はまた、構造がルミネセンスマーカーでマークされた、サンプル中の構造を高空間解像度画像化するさらなる方法を提供する。この方法は、零点と少なくとも1つの方向において零点に近接する強度最大値とを有する強度分布で、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光をサンプル上に導くことと;零点で走査エリアを走査することであって、走査エリアがサンプルの一部である、ことと;走査エリアを走査している間に、サンプル中に零点を含む局所エリアから放出されるルミネセンス光を登録することと;登録されたルミネセンス光をサンプル中の零点のそれぞれのロケーションに割り当てることとを含む。ここで、走査エリアは、中心点において開始する零点で、及び少なくとも1つの方向における中心点までの距離の増加とともに走査される。 The present invention also provides a further method for high spatial resolution imaging of structures in a sample where the structures are marked with luminescent markers. The method includes directing light on a sample that influences the emission of luminescent light by means of a luminescent marker in an intensity distribution having a zero and an intensity maximum close to the zero in at least one direction; scanning at the zero Scanning the area, where the scanning area is part of the sample; while scanning the scanning area, register the luminescent light emitted from the local area including the zero in the sample And assigning the registered luminescent light to each location of the zero in the sample. Here, the scanning area is scanned at the zero point starting at the center point and with increasing distance to the center point in at least one direction.
さらに、本発明は、光を提供するように構成された光源と;零点と零点に近接する強度最大値とを有する強度分布で光をサンプル上に導くように構成された光整形器と;零点で走査エリアを走査するように構成されたスキャナであって、走査エリアがサンプルの部分エリアである、スキャナと;零点のエリアから放出されるルミネセンス光を登録するように構成された検出器と;上記の方法のうちの少なくとも1つを実装するソフトウェアを用いてプログラムされたコントローラとを備える、走査型ルミネセンス光学顕微鏡を提供する。 The present invention further includes a light source configured to provide light; a light shaper configured to direct light onto the sample with an intensity distribution having a zero and an intensity maximum proximate to the zero; and the zero A scanner configured to scan a scanning area, wherein the scanning area is a partial area of the sample; and a detector configured to register luminescent light emitted from the zero point area; A scanning luminescence optical microscope comprising a controller programmed with software implementing at least one of the above methods.
本発明の他の特徴及び利点は、以下の図面及び詳細な説明を考察すると当業者に明らかになろう。すべてのそのような追加の特徴及び利点は、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内で本明細書に含まれるものである。 Other features and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art upon consideration of the following drawings and detailed description. All such additional features and advantages are intended to be included herein within the scope of the present invention as defined by the claims.
本発明は、以下の図面を参照するとより良く理解できよう。図面中の構成要素は必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに、本発明の原理を明らかに示すことに強調が置かれる。図面において、同様の参照番号は、いくつかの図全体にわたって対応する部分を示す。 The invention can be better understood with reference to the following drawings. The components in the drawings are not necessarily to scale, emphasis instead being placed upon clearly illustrating the principles of the present invention. In the drawings, like reference numerals designate corresponding parts throughout the several views.
サンプル中の構造を空間高解像度画像化する本発明による方法では、構造はルミネセンスマーカーでマークされ、零点と零点に近接する強度最大値とを有する強度分布で、ルミネセンスマーカーによって蛍光光の放出に影響を及ぼす光がサンプル上に導かれる。サンプルの部分エリアである走査エリアが零点で走査され、零点を含む局所エリアから放出されるルミネセンス光は、登録され、ルミネセンス光が登録されたとき、それにおいて零点がサンプル中にあったそれぞれのロケーションに割り当てられる。走査エリアの寸法は、強度最大値が零点に近接する少なくとも1つの方向で及び特にあらゆる方向で、それぞれの方向において強度最大値の距離のせいぜい75%に限定される。 In the method according to the invention for spatially high-resolution imaging of a structure in a sample, the structure is marked with a luminescence marker, with an intensity distribution having a zero and an intensity maximum close to the zero, the emission of fluorescent light by the luminescence marker. Light affecting the sample is directed onto the sample. The scan area, which is a partial area of the sample, is scanned at the zero point, and the luminescent light emitted from the local area including the zero point is registered, and when the luminescent light is registered, the zero point was in the sample, respectively. Assigned to a location. The size of the scanning area is limited to at most 75% of the distance of the intensity maximum in each direction, in at least one direction where the intensity maximum is close to the zero and in particular in any direction.
本明細書でルミネセンスマーカーが言及される限りでは、ルミネセンスマーカーは特に蛍光マーカーであり得る。しかしながら、ルミネセンス特性が、例えば、化学ルミネセンスかエレクトロルミネセンスに基づき得る、他のルミネセンスマーカーも使用され得る。これは、放出ルミネセンス光のためのルミネセンスマーカーの励起が、本発明による方法における特定の機構に限定されないことを含む。しかしながら、しばしば、ルミネセンス光の放出のためのルミネセンスマーカーの励起は励起光により得る。 Insofar as luminescent markers are mentioned herein, the luminescent markers may in particular be fluorescent markers. However, other luminescence markers whose luminescence properties can be based, for example, on chemiluminescence or electroluminescence can also be used. This includes that the excitation of luminescent markers for emitted luminescent light is not limited to a particular mechanism in the method according to the invention. However, often the excitation of the luminescent marker for the emission of luminescent light is obtained by excitation light.
ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光は、ルミネセンス抑制光が、例えば、ルミネセンスマーカーを暗状態に移すか又は誘導放出によって励起したルミネセンスマーカーを逆励起し、このようにしてルミネセンスマーカーがルミネセンス光を放出するのを抑制するという点で、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出を抑制するルミネセンス抑制光であり得る。さらに、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光は、ある非ルミネセンス状態からのルミネセンスマーカーを、漂白に対して特に良く保護されるさらなる非ルミネセンス状態に移す光であり得る。さらに、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光は、その光が他の光と組み合わされた場合、この放出が光の強度分布の零点のエリアからのみ生じるように、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼすだけの光であり得る。 The light that affects the emission of luminescent light by the luminescent marker is such that the luminescence suppression light reverses the luminescent marker that has been excited, for example, by moving the luminescent marker to the dark state or by stimulated emission. In this respect, it can be luminescence suppression light that suppresses the emission of luminescence light by the luminescence marker in that the luminescence marker suppresses the emission of luminescence light. Further, the light that affects the emission of luminescent light by the luminescent marker can be light that transfers the luminescent marker from one non-luminescent state to a further non-luminescent state that is particularly well protected against bleaching. . Furthermore, the light that affects the emission of luminescent light by the luminescent marker is such that when that light is combined with other light, this emission occurs only from the zero area of the light intensity distribution. The light can only affect the emission of luminescent light.
別の実施形態では、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光は、ルミネセンス可能光が、例えば、ルミネセンスのためにルミネセンスマーカーを励起するか又はルミネセンスマーカーを暗状態から興奮性状態に移すという点で、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出を可能にするルミネセンス可能光である。 In another embodiment, the light that affects the emission of luminescent light by the luminescent marker is such that the luminescent capable light excites the luminescent marker for luminescence or causes the luminescent marker to go from a dark state, for example. It is a luminescent capable light that allows the emission of luminescent light by means of a luminescent marker in that it moves to an excitable state.
ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光の強度分布の零点は、少なくとも光の強度分布の局所強度最小値である。しばしば、零点は、光の強度が本質的に0にドロップする強度最小値になる。理想的な事例では、光の強度は、零点の中心において実際に0にドロップする。しかしながら、これは必須の要件ではない。例えば、光がルミネセンス抑制光である場合、ルミネセンス抑制光の強度が零点のエリア中で極めて低く、したがって、ルミネセンスマーカーのルミネセンスの抑制がないか、又は少なくとも本質的抑制がなければ、すなわち少なくとも優勢な抑制がなければ、十分である。零点は、その場合、ルミネセンス抑制光がルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出を少なくとも本質的に抑制するエリアによって画定される。ルミネセンス抑制光がルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出を少なくとも本質的に抑制するこれらのエリア間のあらゆるものは、本明細書では「零点」又は「零点のエリア」と呼ばれる。 The zero point of the light intensity distribution that affects the emission of luminescent light by the luminescence marker is at least the local intensity minimum value of the light intensity distribution. Often, the zero is the intensity minimum at which the light intensity drops to essentially zero. In the ideal case, the light intensity actually drops to zero at the center of the zero. However, this is not an essential requirement. For example, if the light is luminescence-suppressed light, the intensity of the luminescence-suppressed light is very low in the zero-point area, and therefore there is no or at least essentially no luminescence suppression of the luminescence marker, That is, it is sufficient if there is at least no dominant suppression. The zero is then defined by the area where the luminescence suppression light at least essentially suppresses the emission of luminescence light by the luminescence marker. Everything between these areas in which the luminescence suppression light at least essentially suppresses the emission of luminescence light by the luminescence marker is referred to herein as a “zero point” or “zero point area”.
ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光の強度分布の零点に近接する強度最大値が本明細書において複数形で言及された場合、これは、零点が、零点の周りのリングとして拡張している強度最大値によって囲まれる場合を除外するものではない。ルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光の強度分布を介する各仮想セクションでは、そのようなリング形の強度最大値は、セクション中の両側において零点に近接する2つの強度最大値の形態で現れる。 When an intensity maximum close to the zero point of the light intensity distribution that affects the emission of luminescent light by a luminescent marker is referred to in the plural form herein, this means that the zero point is a ring around the zero point. It does not exclude the case surrounded by the expanding maximum intensity value. In each virtual section through the light intensity distribution that affects the emission of luminescent light, such a ring-shaped intensity maximum appears in the form of two intensity maximums close to the zero on either side of the section.
強度最大値は、1つ、2つ又は3つの方向で零点に近接していることがある。したがって、零点は平面形、ライン形又は点形であり得る。零点は、ライン形又は点形の零点でもサンプルの主要な拡張のすべての方向において強度最大値によって画定されるような方法で、2次元又は1次元サンプルと交差し得る。さらに、走査エリアは、サンプルの主要な拡張のすべての方向において画像化の空間解像度を最大化するために、零点の異なる配向をもつサンプルの主要な拡張のすべての方向において強度最大値によって画定されない零点で連続的に走査され得る。走査エリアの物理的寸法は、強度最大値がサンプル中の零点に近接している少なくとも1つの方向において、好ましくはすべての方向において限定される。 The intensity maximum may be close to the zero in one, two or three directions. Thus, the zero can be a planar shape, a line shape, or a point shape. A zero can intersect a two-dimensional or one-dimensional sample in such a way that even a line-shaped or point-shaped zero is defined by an intensity maximum in all directions of the sample's main extension. Furthermore, the scanning area is not defined by intensity maxima in all directions of the main extension of the sample with different orientations of the zeros in order to maximize the spatial resolution of the imaging in all directions of the main extension of the sample. It can be scanned continuously at zero. The physical dimensions of the scanning area are limited in at least one direction, preferably in all directions, where the intensity maximum is close to the zero in the sample.
サンプル中の零点に近接する強度最大値は、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光の強度分布のエリアよりもしばしばはるかに高い光強度であり、それらのエリアは、零点のエリアを直接画定しており、光が、例えば、ルミネセンス光の放出を抑制するという点で、光がルミネセンスマーカーによってエリア中でこの放出に所望の影響をすでに及ぼしている。強度最大値の極めて高い強度は、光の全体的な高い強度の結果であり、それは一方で、光がルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に少なくとも本質的に影響をその中で及ぼさない零点のエリアが強く空間的に画定されることのための前提条件である。結果として、零点のエリアを直接画定する光強度分布のエリアと、強度分布の強度最大値のエリアとの間に中間エリアがあり、その中間エリア内で、光強度は、強度最大値内の光強度をはるかに下回ったままである。これらの中間エリアは、走査エリアの寸法がそれぞれの方向において強度最大値の距離の75%を超えないという点で、本発明による方法では意図的に使用される。走査エリアの寸法がそれぞれの方向において強度最大値の距離の50%よりも小さいままである場合、走査エリアの点は光強度最大値のフル強度を受けない。しかし、距離の75%の限界の場合でも、走査エリアが受けるルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光の平均的強度に有意な限定がある。走査エリアの寸法がそれぞれの方向において強度最大値の距離よりも小さいままになるほど、走査エリアが受ける光の平均的強度はより小さくなることを理解されたい。絶対的観点から、強度最大値の間のそれぞれの方向における走査エリアの寸法は、最大で300nmであり得る。好ましくは、それぞれの方向における寸法は最大で200nmであり、より好ましくは、寸法は約100nmである。これらの絶対的数字は、すべて可視範囲内にある、ルミネセンス光の波長、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光の波長、及び/又は可能な励起光の波長に関係する。 The intensity maxima close to the zeros in the sample is often much higher than the area of the light intensity distribution that affects the emission of luminescent light by the luminescence marker, and these areas are The light already has the desired effect on this emission in the area by the luminescence marker, in that the light suppresses the emission of the luminescent light, for example. The very high intensity of the intensity maximum is a result of the overall high intensity of the light, which on the other hand is the zero point in which the light has at least essentially no influence on the emission of the luminescent light by the luminescence marker. It is a prerequisite for the area to be strongly and spatially defined. As a result, there is an intermediate area between the area of the light intensity distribution that directly defines the zero point area and the area of the intensity maximum value of the intensity distribution, in which the light intensity is within the intensity maximum value. It remains far below the intensity. These intermediate areas are intentionally used in the method according to the invention in that the dimensions of the scanning area do not exceed 75% of the distance of the intensity maximum in each direction. If the dimensions of the scan area remain less than 50% of the maximum intensity distance in each direction, the points in the scan area do not receive the full intensity of the light intensity maximum. However, even at the 75% limit of distance, there is a significant limitation on the average intensity of light that affects the emission of luminescent light received by the scanning area. It should be understood that the average intensity of light received by the scanning area decreases as the size of the scanning area remains smaller than the distance of maximum intensity in each direction. From an absolute point of view, the dimension of the scanning area in each direction between the intensity maxima can be up to 300 nm. Preferably, the dimension in each direction is at most 200 nm, more preferably the dimension is about 100 nm. These absolute numbers relate to the wavelength of the luminescent light, the wavelength of the light that affects the emission of the luminescent light by the luminescent marker, and / or the wavelength of the possible excitation light, all in the visible range.
走査エリアは、本発明による方法を実行するときに走査されるサンプルの部分エリアのみであり、対応して、サンプル中の注目するエリアに、すなわちサンプル中のルミネセンスマーカーでマークされた構造の注目する細部に導かれるべきである、サンプルの部分エリアであり得る。 The scanning area is only the partial area of the sample that is scanned when carrying out the method according to the invention, correspondingly to the area of interest in the sample, i.e. the attention of structures marked with luminescence markers in the sample. It can be a partial area of the sample, which should be led to the details to be done.
本発明は、サンプルの走査されしたがって画像化される部分エリアが小さいままであることを意図的に許容する。しばしば、走査エリアは、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光の波長において回折バリアの大きさの距離にわたって延びる。一方、走査エリアが受ける平均的光強度の本質的低減により、漂白する傾向が強いルミネセンスマーカーさえ首尾よく使用すること、又は光強度分布の零点でサンプル中の走査エリアを繰り返し走査することが可能である。 The present invention intentionally allows the partial area of the sample that is scanned and thus imaged to remain small. Often, the scanning area extends over a distance of the size of the diffraction barrier at the wavelength of light that affects the emission of luminescent light by the luminescent marker. On the other hand, due to the substantial reduction of the average light intensity experienced by the scanning area, even luminescent markers that have a strong tendency to bleach can be used successfully, or the scanning area in the sample can be repeatedly scanned at the zero point of the light intensity distribution It is.
強度分布の零点で高い繰返しレートにおいてサンプル中の走査エリアを繰り返し走査するオプションはまた、サンプル中の注目する構造における動的プロセスを時間的に解決することを可能にする。サンプル中のルミネセンスマーカーは、本発明による方法により、特定の高い数の光子が走査エリア中の各個々の蛍光マーカーから取得されるように、特に低い漂白する傾向を有するので、特にサンプルの走査エリアの多くの画像が取られ得、したがって、サンプル中の注目する構造の長時間変動さえ観測され得る。概して、走査エリアは、100×100=10,000個以下の画像点において走査される。これは数ミリ秒内で可能である。したがって、100Hz以上の画像周波数が実現され得る。 The option of repeatedly scanning the scan area in the sample at a high repetition rate at the zero point of the intensity distribution also allows a dynamic process in the structure of interest in the sample to be solved in time. The luminescent marker in the sample has a particularly low tendency to bleach so that a specific high number of photons are obtained from each individual fluorescent marker in the scanning area by the method according to the invention, so that especially the scanning of the sample Many images of the area can be taken and thus even long-term variations of the structures of interest in the sample can be observed. Generally, the scan area is scanned at 100 × 100 = 10,000 or less image points. This is possible within a few milliseconds. Therefore, an image frequency of 100 Hz or higher can be realized.
有利には、強度最大値がサンプル中の零点に近接する各方向において、走査エリアの寸法は、それぞれの方向において強度最大値の距離の45%、25%又は10%さえよりも大きくない。ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光の強度に関して、強度最大値がサンプル中の零点に近接する各方向における、サンプルの部分エリアの寸法は、零点において開始する光の強度が、近接する強度最大値において光の強度の50%、25%、10%又は5%までそれぞれの方向においてそれにわたって増加する距離よりも大きくない場合、有利である。対応して、走査エリア中のルミネセンスマーカーの最大負荷は、近接する強度最大値において光の強度の50%、25%、10%又は5%に限定される。 Advantageously, in each direction where the intensity maximum is close to the zero in the sample, the size of the scan area is not greater than 45%, 25% or even 10% of the distance of the intensity maximum in each direction. Regarding the intensity of light that affects the emission of luminescent light by the luminescence marker, the size of the partial area of the sample in each direction where the intensity maximum is close to the zero in the sample is the intensity of the light starting at the zero. It is advantageous if it is not greater than the distance increasing over it in each direction up to 50%, 25%, 10% or 5% of the light intensity at the closest intensity maximum. Correspondingly, the maximum load of the luminescent marker in the scanning area is limited to 50%, 25%, 10% or 5% of the light intensity at the adjacent intensity maximum.
ここまで説明された本発明の実施形態が基づく同じ所見はまた、サンプルの走査エリアが、中心点において開始して、及びこの中心点までの距離の増加とともに走査される、本発明による方法の別の実施形態において使用される。中心点までの距離が、同じ方向においてサンプル中の零点に近接する強度最大値の距離の75%よりも小さいままである限り、走査エリア上の蛍光マーカーによって蛍光光の放出に影響を及ぼす光による平均的負荷は、知られている走査型ルミネセンス光学顕微鏡検査方法と比較して小さいままになる。いずれの場合も、中心点に近い位置にあるルミネセンスマーカーは、ルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光のより高い強度を受けるより前に、サンプル中のルミネセンスマーカーのロケーションに関して登録される。したがって、漂白する傾向があるルミネセンスマーカーでは、登録されたルミネセンス光の相対的強度は、特に中心点までの距離がそれぞれの方向において強度最大値の距離まで及びそれを超えて増加する場合、中心点までのこの距離の増加とともに減少し得る。それにもかかわらず、中心点の直接周りにあるサンプルの部分エリアは走査され、ルミネセンス光の高い収量を伴って画像化される。 The same observation on which the embodiments of the invention described so far are based is also different from the method according to the invention in that the scanning area of the sample is scanned at the center point and with increasing distance to this center point. Used in the embodiment. As long as the distance to the center point remains less than 75% of the distance of the maximum intensity close to the zero point in the sample in the same direction, by the light that affects the emission of fluorescent light by the fluorescent marker on the scanning area The average load remains small compared to known scanning luminescence optical microscopy methods. In either case, the luminescent marker near the center point is registered with respect to the location of the luminescent marker in the sample prior to receiving a higher intensity of light that affects the emission of luminescent light. Thus, for luminescent markers that tend to bleach, the relative intensity of the registered luminescent light, especially if the distance to the center point increases to and beyond the maximum intensity distance in each direction, It can decrease with increasing this distance to the center point. Nevertheless, a partial area of the sample directly around the center point is scanned and imaged with a high yield of luminescent light.
最後に説明される本発明による方法の実施形態は、実際には、中心点の周りのスパイラルコースに沿って走査エリアが走査されるという点で実現され得る。 The last described embodiment of the method according to the invention can in fact be realized in that the scanning area is scanned along a spiral course around the center point.
本発明による方法のすべての実施形態では、走査されるべきサンプルの部分エリアを走査するより前に、走査されるべきサンプルの部分エリアを決定するために別の方法でルミネセンスマーカーでマークされた構造を画像化することがしばしば好適である。概して、走査されるべきサンプル又は走査エリアの部分エリアは、構造の特定の細部がその中に存在するか、又は生物学的プロセス中に構造の特定の発展がその中で生じる、サンプルの注目する部分エリアである。この1次画像化は、蛍光光の放出のためのルミネセンスマーカーの局所又は大きいエリア励起の下で、及びルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光を使用せずに行われ得る。 In all embodiments of the method according to the invention, prior to scanning the partial area of the sample to be scanned, it is marked with a luminescent marker in another way to determine the partial area of the sample to be scanned It is often preferred to image the structure. In general, the sample to be scanned or a partial area of the scanning area is the focus of the sample in which specific details of the structure exist or specific development of the structure occurs in a biological process. It is a partial area. This primary imaging can be performed under local or large area excitation of luminescent markers for emission of fluorescent light and without using light that affects the emission of luminescent light.
走査エリアを走査するより前に、サンプルのより大きいエリアは、サンプル中の走査されるべき部分エリアの位置を決定するために、ルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光の少なくとも50%だけ低減した強度で、及び/又は少なくとも50%だけ増加した走査速度で走査され得る。この1次走査では、サンプルのより大きいエリアのすべての点は、強度最大値のエリア中の光の高い強度を受ける。しかしながら、この強度は、意図的に低減され、及び/又はより短い時間期間にわたってルミネセンスマーカーのみに作用する。 Prior to scanning the scanning area, the larger area of the sample has been reduced by at least 50% of the light that affects the emission of luminescent light to determine the position of the partial area to be scanned in the sample. It can be scanned with intensity and / or with a scanning speed increased by at least 50%. In this primary scan, all points in the larger area of the sample receive a high intensity of light in the area of maximum intensity. However, this intensity is deliberately reduced and / or only affects the luminescent marker over a shorter period of time.
一実施形態では、走査エリアを走査する場合よりもサンプルのより大きいエリアを走査するために別のスキャナが使用される。 In one embodiment, another scanner is used to scan a larger area of the sample than when scanning the scan area.
サンプルのより大きいエリアを走査して走査エリアを決定するために、及びその後に走査エリアを走査するために異なるスキャナを使用する際に、強く限定された、すなわち小さい走査エリアを走査するのに特に適したスキャナが使用され得る。走査エリアの小さい寸法により、これらのスキャナは、サンプルに対して零点をもつ光強度分布のより大きい移動を可能にしないが、可能な移動を極めて高速及び/又は正確に実現するスキャナであり得る。したがって、走査エリアは、例えば、走査エリア中でサンプルの注目する構造の高速な変化を監視するために、高い繰返しレートで走査され得る。 When scanning different areas to scan a larger area of the sample to determine the scanning area, and subsequently to scan the scanning area, especially for scanning a very limited or small scanning area. A suitable scanner can be used. Due to the small size of the scanning area, these scanners do not allow greater movement of the light intensity distribution with zeros relative to the sample, but can be scanners that achieve possible movement very fast and / or accurately. Thus, the scanning area can be scanned at a high repetition rate, for example, to monitor fast changes in the structure of interest in the sample in the scanning area.
特に、サンプル用のサンプルステージ又はサンプルホルダーは、光がそれによってサンプル上に導かれる対物レンズに対して少なくとも1つの方向に移動され得るが、少なくとも1つの方向において走査エリアを走査するためには、電気光学スキャナ、音響光学ディフレクタ又はガルボスキャナもしくはガルボミラー、すなわちガルボメトリックドライブをもつ偏向ミラーが使用される。走査エリアのためのスキャナは、光強度分布の零点をシフトするための位相シフタとして追加の電気光学又は音響光学変調器と組み合わされ得る。 In particular, the sample stage or sample holder for the sample can be moved in at least one direction relative to the objective lens by which light is directed onto the sample, but in order to scan the scanning area in at least one direction, Electro-optic scanners, acousto-optic deflectors or galvo scanners or galvo mirrors, ie deflecting mirrors with galvometric drives are used. The scanner for the scanning area can be combined with an additional electro-optic or acousto-optic modulator as a phase shifter for shifting the zeros of the light intensity distribution.
すでに説明したように、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光は、特に、零点の外側でルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出を抑制するルミネセンス抑制光であり得る。例えば、ルミネセンス抑制光は、切替え可能タンパク質の形態のルミネセンスマーカーを、ルミネセンスマーカーがルミネセンス光の放出のために興奮性でない暗状態に移すか又は切り替える。ルミネセンス抑制光は、ルミネセンス光の放出のためにルミネセンスマーカーを励起し、ルミネセンス抑制光の零点のエリア中で強度最大値をもつ強度分布を有する励起光との組合せで、サンプル上に特に導かれ得る。走査エリアまでの密な限界を除いて、又は走査エリアの中心点までの距離の増加を伴う走査を除いて、これは、STED、RESOLFT又はGSD蛍光光学顕微鏡法における通常の手順に対応する。 As already explained, the light that influences the emission of luminescence light by means of the luminescence marker can in particular be luminescence-suppressing light that suppresses the emission of luminescence light by means of the luminescence marker outside the zero point. For example, luminescence suppression light shifts or switches a luminescent marker in the form of a switchable protein to a dark state where the luminescent marker is not excitable due to the emission of luminescent light. Luminescence suppression light excites a luminescent marker for emission of luminescence light, and in combination with excitation light having an intensity distribution with an intensity maximum in the area of the zero point of the luminescence suppression light on the sample. In particular it can be guided. This corresponds to the usual procedure in STED, RESOLFT or GSD fluorescence optical microscopy, except for a tight limit to the scan area or with a scan with increasing distance to the center point of the scan area.
本発明による方法の一実施形態では、国際特許出願公開第2014/108455号から知られている概念、すなわち、ルミネセンスマーカーを非アクティブ状態に切り替えることによって誘導光の強度最大値のエリア中の高い強度に対してルミネセンスマーカーを保護するために切替え可能ルミネセンスマーカーを用いてSTED蛍光顕微鏡法を行うことは、修正形態で適用される。特に、零点で走査エリアを走査するより前に、追加のスイッチングオフ光が、走査エリアに近接するサンプルの部分エリアにおいて切替え可能ルミネセンスマーカーを非アクティブ状態に切り替えるような強度分布で、追加のスイッチングオフ光がサンプル上に導かれる。この近接するエリアは、強度最大値がサンプル中の誘導光の零点に近接する少なくとも1つの方向において走査エリアに近接する。このようにして、ルミネセンスマーカーは、そこで非アクティブ状態に切り替えられ、ここに誘導光の強度最大値があり、及びここで、この保護手段なしでは、ルミネセンスマーカーは、走査エリアを走査する際に誘導光の高い強度によって漂白されるであろう。本発明による方法のこの実施形態では走査エリアの外側でルミネセンスマーカーの漂白が抑制されるという点で、それは、直接近接しているか又は重複さえしている走査エリアについて連続的に行われ得る。言い換えれば、サンプルは走査エリアで走査され得、ここにおいて、走査エリアは、サンプル中のすべての位置又は少なくとも選択された位置において、零点で走査される。 In one embodiment of the method according to the invention, the concept known from WO 2014/108455, i.e. high in the area of the intensity maximum of the induced light by switching the luminescence marker to the inactive state. Performing STED fluorescence microscopy with a switchable luminescence marker to protect the luminescence marker against intensity is applied in a modified form. In particular, before switching the scan area at the zero point, the additional switching-off light causes additional switching with an intensity distribution that switches the switchable luminescence marker to an inactive state in a partial area of the sample adjacent to the scan area. Off light is directed onto the sample. This adjacent area is close to the scanning area in at least one direction where the maximum intensity value is close to the zero point of the guide light in the sample. In this way, the luminescence marker is then switched to the inactive state, where there is a maximum intensity of the guided light, and here without this protective measure, the luminescence marker is in scanning the scanning area. Will be bleached by high intensity of induced light. In this embodiment of the method according to the invention, it can be carried out continuously for scanning areas that are in direct proximity or even overlap, in that bleaching of the luminescent markers is suppressed outside the scanning area. In other words, the sample may be scanned in a scan area, where the scan area is scanned at zeros at all positions or at least selected positions in the sample.
その後に走査されるべきそれぞれの近接するエリア中のスイッチオフ光の強度分布は、弱め合う干渉によって形成される走査エリア中に局所強度最小値を備え得、この弱め合う干渉において、それは、ルミネセンスマーカーを少なくとも本質的にオフに切り替えず、すなわち、それは、ルミネセンスマーカーを、少なくとも本質的に、ルミネセンスマーカーが励起光によって興奮性であるそれらのアクティブ状態のままにする。切替え可能ルミネセンスマーカーの選択に応じて、このアクティブ状態は、光をサンプルに導くことより前に又はそれと一時的に重複して、走査されるべきサンプルのそれぞれの部分エリア上にスイッチオン光が導かれ、それにより、切替え可能ルミネセンスマーカーがそれらのアクティブ状態にスイッチオンされることを必要とするか、又は少なくともそれを好適にし得る。 The intensity distribution of the switch-off light in each adjacent area to be subsequently scanned can comprise a local intensity minimum in the scanning area formed by the destructive interference, in which it is the luminescence It does not switch the marker at least essentially off, ie it leaves the luminescent markers in their active state, at least essentially where the luminescent markers are excitable by the excitation light. Depending on the selection of the switchable luminescence marker, this active state may be switched on on each partial area of the sample to be scanned before or temporarily overlapping the light to the sample. Led, so that switchable luminescence markers need to be switched on to their active state or at least it may be preferred.
オン及び/又はオフに切り替えられるとき、切替え可能ルミネセンスマーカーはしばしばルミネセンス光を放出する。このルミネセンス光は登録され、評価され得る。この評価の目的は、例えば、それぞれの近接するエリアによって画定された走査エリアが少しでも零点で走査されるかどうかの判定、あるいは、次いで放出されるルミネセンス光が共焦点的に登録されている間に、走査エリアが全体として励起光のみを受けるかどうかの判定、あるいは、オン及び/又はオフに切り替えることが、ルミネセンスマーカーの関係する濃度がないことを示す間に、走査エリアが、登録されるルミネセンス光の低い強度としてまったく励起光を受けないかどうかの判定であり得る。さらに、評価は、どんな条件下で、誘導光を、近接する部分エリアによって画定される走査エリア中の零点の各位置におけるサンプル上に導くことと、零点のエリアから放出されるルミネセンス光の登録とが適切に停止され得るかを判定する目的を有し得る。例えば、それぞれの走査エリアにおいてRESCue方法を行うための上限及び/又は下限しきい値が、評価の結果に応じて設定され得る。 When switched on and / or off, switchable luminescent markers often emit luminescent light. This luminescence light can be registered and evaluated. The purpose of this evaluation is, for example, whether the scanning area defined by each adjacent area is scanned at any zero point, or the luminescent light that is then emitted is registered confocally. In the meantime, the scanning area is registered while determining whether the scanning area as a whole only receives excitation light or switching on and / or off indicates that there is no relevant concentration of the luminescent marker. As a low intensity of the emitted luminescence light, it can be a determination of whether to receive any excitation light. In addition, the evaluation guides the guided light onto the sample at each position of the zero point in the scanning area defined by the adjacent partial area and registration of the luminescent light emitted from the zero point area under any conditions Can have the purpose of determining whether can be stopped properly. For example, an upper limit and / or a lower limit threshold for performing the RESCue method in each scanning area can be set according to the evaluation result.
本発明による方法の一実施形態では、零点のエリアから放出されるルミネセンス光は、走査エリア中にサンプルに対する位置が変化しない点検出器で登録される。これは、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光の光強度分布の零点の移動が、点検出器でルミネセンス光を登録する際に考慮されないことを意味する。走査エリアの寸法は、概して、サンプルに対する点検出器の検出エリアよりも明らかに小さいので、これは可能である。これは、走査エリアの中心点に対して共焦点的に配置された点検出器にさえ、特に当てはまる。走査エリアの寸法は、概して、ルミネセンス光の波長における回折バリアよりも小さいので、走査エリア全体からのルミネセンス光はそのような点検出器に達することになる。空間的に固定された点センサは、走査エリアを走査するための零点が、蛍光マーカーによって蛍光光の放出に影響を及ぼす光を偏向させることによってのみ移動されることを意味する。どんな励起光さえ、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光とともにシフトされることは、それの強度最大値が典型的には走査エリア全体をもカバーするので、不要である。 In one embodiment of the method according to the invention, the luminescent light emitted from the zero point area is registered with a point detector whose position relative to the sample does not change during the scanning area. This means that the movement of the zero point of the light intensity distribution of the light that affects the emission of the luminescent light by the luminescent marker is not taken into account when registering the luminescent light with the point detector. This is possible because the dimensions of the scan area are generally clearly smaller than the detection area of the point detector for the sample. This is especially true even for point detectors placed confocally with respect to the center point of the scanning area. Since the size of the scanning area is generally smaller than the diffraction barrier at the wavelength of the luminescent light, the luminescent light from the entire scanning area will reach such a point detector. A spatially fixed point sensor means that the zero point for scanning the scanning area is moved only by deflecting light that affects the emission of fluorescent light by the fluorescent marker. It is not necessary for any excitation light to be shifted by the luminescence marker with light that affects the emission of the luminescent light, since its intensity maximum typically covers the entire scanning area.
またすでに説明したように、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光は、代替的に、零点の外側でルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出を可能するルミネセンス可能光であり得る。これは、この光がルミネセンス励起光であり、サンプル上に導かれる唯一の光であるというオプションを含む。これはまた、光が、ルミネセンスマーカーを暗状態からルミネセンスのための興奮性状態に移す、すなわち、ルミネセンスマーカーをアクティブにするルミネセンスアクティブ化光であるというオプションを含む。ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光はまた、両方の機能、すなわちアクティブ化と励起を有し得、この目的のために異なる波長の2つの成分を有し得る。次いで、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光の強度分布の零点でサンプルの部分エリアが走査される場合、部分エリア中にあるルミネセンスマーカーを、零点に近接する強度最大値のエリア中の高い光強度にまったくかけないか、又は少なくともできる限り少なくかけるために、この走査エリアは小さく保たれる。本方法のこの実施形態においてサンプル中のルミネセンスマーカーによって放出されるルミネセンス光を登録することはカメラで行われ得、評価は、典型的には、サンプル中の零点の実際の位置と、サンプルから放出されカメラで登録されるルミネセンス光の強度分布の関連する変動とに関して、登録された強度分布を解析することを含む。 Also as already explained, the light that influences the emission of luminescent light by means of the luminescent marker can alternatively be luminescent light that allows the emission of luminescent light by means of the luminescent marker outside the zero point. . This includes the option that this light is luminescence excitation light and is the only light that is directed onto the sample. This also includes the option that the light is luminescence activated light that moves the luminescence marker from the dark state to the excitable state for luminescence, ie activates the luminescence marker. Light that affects the emission of luminescent light by a luminescent marker can also have both functions, activation and excitation, and can have two components of different wavelengths for this purpose. If a partial area of the sample is then scanned at the zero point of the light intensity distribution that affects the emission of luminescent light by the luminescent marker, the luminescent marker in the partial area is moved to the intensity maximum value close to the zero point. This scanning area is kept small in order not to apply high light intensity in the area at all or at least as little as possible. In this embodiment of the method, the registration of the luminescent light emitted by the luminescent markers in the sample can be performed with a camera, and the evaluation is typically based on the actual position of the zero in the sample and the sample Analyzing the registered intensity distribution with respect to associated variations in the intensity distribution of the luminescent light emitted from and registered with the camera.
サンプルのそれぞれ走査されしたがって画像化される部分エリアが極めて小さいままであるという、本発明による方法の欠点は、サンプルがいくつかの部分エリアにおいて同時に走査されるという点で、少なくとも部分的に補償され得る。ここで、特に、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光の零点のグリッドが使用され得る。その場合でも、零点のグリッドは、サンプル全体が画像化されるように、すなわちグリッドにおける零点の全距離にわたって画像化されるようにシフトされない。代わりに、サンプルがその中で走査される個々の部分エリアは、本発明による方法のこの実施形態でさえ、互いに分離されたままになる。この場合にのみ、走査される部分エリアにおけるルミネセンスマーカーを漂白する危険の低減は、高い光強度の漂白効果に対してルミネセンスマーカーを保護するために、サンプル中のルミネセンスマーカーの実際に走査されない部分をオフに切り替えるようなさらなる手段なしに達成される。本発明のこの実施形態において使用される切替え可能ルミネセンスマーカーの場合、切替え可能ルミネセンスマーカーは、それぞれの走査エリアにおいてそれらの蛍光状態のみになること、及びサンプルは、さらに走査エリアで走査され、したがって完全に画像化され得ることが、当業者には明らかであろう。 The disadvantage of the method according to the invention that each scanned and therefore imaged partial area of the sample remains very small is at least partially compensated in that the sample is scanned simultaneously in several partial areas. obtain. Here, in particular, a grid of light zeros that influence the emission of luminescent light by means of luminescent markers can be used. Even so, the grid of zeros is not shifted so that the entire sample is imaged, i.e. imaged over the entire distance of the zeros in the grid. Instead, the individual partial areas in which the sample is scanned remain separated from each other even in this embodiment of the method according to the invention. Only in this case, the reduced risk of bleaching the luminescent markers in the scanned partial area is the actual scanning of the luminescent markers in the sample to protect the luminescent markers against high light intensity bleaching effects. This is achieved without further measures such as switching off the parts that are not done. In the case of the switchable luminescence markers used in this embodiment of the invention, the switchable luminescence markers are only in their fluorescent state in the respective scanning area, and the sample is further scanned in the scanning area, It will therefore be apparent to those skilled in the art that it can be fully imaged.
注目する物体のいくつかのコピーが、1つ又は複数の走査エリアとそれぞれ重複して配置された場合、この物体の部分画像は、各走査エリアを走査することによって取得される。これらの部分画像が物体にわたって統計的に分布される場合、及びそれらの数が十分に高い場合、注目する物体全体の完全な画像が部分画像から再構成され得る。この再構成では、注目する物体のいくつかのコピーが少なくとも本質的に同等である必要があることが明らかである。部分画像を注目する物体の特定の点に割り当てるために、サンプル中の注目する物体のコピーは、走査エリアに対するそれらの位置及び配向を決定するために別の方法でさらに画像化され得る。サンプル中のいくつかのコピーにおいて配置された注目する物体は、例えば、分子又はウイルスなどであり得る。さらに、本発明による方法のこの実施形態では、注目する物体の複数のコピーは、変動する周囲条件を受けて、これらの変動する条件に対する注目する物体の反応を登録し得る。この目的のために、個々の走査エリアは、周囲条件の変化中に及び/又はそれの前及び後にそれぞれの零点で走査される。それぞれの零点での走査エリアの連続的走査のシーケンスは、注目する物体の高速な変化でも登録され得るように極めて高くなり得る。 If several copies of the object of interest are each placed overlapping one or more scanning areas, a partial image of this object is obtained by scanning each scanning area. If these partial images are statistically distributed across the object, and if their number is high enough, a complete image of the entire object of interest can be reconstructed from the partial images. It is clear that this reconstruction requires that several copies of the object of interest need to be at least essentially equivalent. In order to assign the partial images to specific points of the object of interest, copies of the object of interest in the sample can be further imaged in another way to determine their position and orientation relative to the scan area. The object of interest placed in several copies in the sample can be, for example, a molecule or a virus. Furthermore, in this embodiment of the method according to the invention, multiple copies of the object of interest may be subject to varying ambient conditions and register the object's response to these varying conditions. For this purpose, the individual scan areas are scanned at their respective zeros during and / or before and after changes in ambient conditions. The sequence of continuous scanning of the scanning area at each zero can be quite high so that even fast changes of the object of interest can be registered.
本発明による走査型ルミネセンス光学顕微鏡は、ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光のための光源と、零点と零点に近接する強度最大値とを有する強度分布で光をサンプル上に導く光整形器と、零点で走査されるべきサンプルの部分エリアを走査するためのスキャナと、零点のエリアから放出されるルミネセンス光を登録する検出器と、本発明による方法のうちの1つを行うためのコントローラとを備える。 A scanning luminescence optical microscope according to the present invention provides light on a sample with an intensity distribution having a light source for light that affects the emission of luminescent light by a luminescence marker, and an intensity maximum near the zero. A light shaper for directing to a light source, a scanner for scanning a partial area of the sample to be scanned at the zero point, a detector for registering luminescent light emitted from the zero point area, and one of the methods according to the invention And a controller for performing the operation.
検出器は点検出器であり得、点検出器の位置は、走査エリアを走査する間にサンプルに対して固定であり得る。これは、走査エリアが、概して、回折バリアを十分に下回る寸法を有するので、検出器が、ルミネセンス光をデスキャンすることなしにサンプルから放出されるルミネセンス光を検出し得ることを意味する。その場合、零点で走査エリアを走査するためのスキャナとは異なり、少なくとも1つの方向でサンプルのより大きいエリアを走査するように構成されたさらなるスキャナが提供され得る。 The detector can be a point detector and the position of the point detector can be fixed relative to the sample while scanning the scan area. This means that since the scanning area generally has dimensions well below the diffraction barrier, the detector can detect the luminescent light emitted from the sample without descanning the luminescent light. In that case, unlike a scanner for scanning the scanning area at the zero point, a further scanner configured to scan a larger area of the sample in at least one direction may be provided.
少なくとも1つの方向でサンプルのより大きいエリアを走査するためのスキャナは、光整形器の対物レンズに対して移動可能であるサンプルホルダー又はステージを含み得るが、少なくとも1つの方向で走査されるべきサンプルの部分エリアを走査するためのスキャナは、電気光学スキャナ、音響光学ディフレクタ、ガルボスキャナ又はガルボミラーを含み得る。 A scanner for scanning a larger area of a sample in at least one direction may include a sample holder or stage that is movable relative to the objective lens of the light shaper, but the sample to be scanned in at least one direction The scanner for scanning the partial area may include an electro-optic scanner, an acousto-optic deflector, a galvo scanner, or a galvo mirror.
検出器は、例えば、サンプルから放出されるデスキャンされたルミネセンス光を登録する点検出器であるか、又はサンプルに対して固定相対位置においてデスキャンされないルミネセンス光を登録するカメラのような2次元検出器であり得る。 The detector is, for example, a point detector that registers descanned luminescence light emitted from the sample, or a two-dimensional camera such as a camera that registers luminescence light that is not descanned at a fixed relative position with respect to the sample. It can be a detector.
本発明に従ってSTED方法を行うための本発明による走査型ルミネセンス光学顕微鏡では、光源によって提供される光が誘導光であり、励起光を提供するさらなる光源があり、光整形器は、ルミネセンス抑制光の零点のエリア中で最大値を有する強度分布で励起光をサンプル上に導く。 In the scanning luminescence optical microscope according to the invention for performing the STED method according to the invention, the light provided by the light source is a guide light, there is a further light source providing excitation light, and the light shaper is a luminescence suppressor. The excitation light is guided onto the sample with an intensity distribution having a maximum value in the area of the light zero point.
切替え可能ルミネセンスマーカーを利用する本発明による方法を行うために、スイッチオフ光のための追加のスイッチオフ光源が走査型ルミネセンス光学顕微鏡に提供されるべきであり、光整形器は、走査されるべき部分エリアに近接するサンプルの部分エリア中でそれが切替え可能ルミネセンスマーカーを非アクティブ状態にスイッチオフするような強度分布で、スイッチオフ光をサンプル上に導く。この近接するエリアは、強度最大値がサンプル中の誘導光の零点に近接する少なくとも1つの方向において走査エリアに近接する。さらに、切替え可能ルミネセンスマーカーをそれらのアクティブ状態に切り替える、スイッチオン光のためのスイッチオン光源が提供され得、光整形器は、スイッチオフ光より前に又はそれと一時的に重複して、走査エリアを含む部分エリア中でスイッチオン光をサンプル上に導く。 In order to perform the method according to the invention utilizing a switchable luminescence marker, an additional switch-off light source for switch-off light should be provided in the scanning luminescence optical microscope, the light shaper being scanned Switch-off light is directed onto the sample in an intensity distribution such that it switches off the switchable luminescence marker in an inactive state in the partial area of the sample proximate to the partial area to be. This adjacent area is close to the scanning area in at least one direction where the maximum intensity value is close to the zero point of the guide light in the sample. Furthermore, a switch-on light source for switch-on light that switches the switchable luminescence markers to their active state can be provided, the light shaper scanning before or temporarily overlapping with the switch-off light. Switch-on light is guided onto the sample in the partial area including the area.
本発明による方法をテストするための実験では、サンプル中のルミネセンスマーカーからの光子の収量の>100倍の増加が達成された。これは、サンプル中の注目する構造の変化を記録するために、その変化する構造から100倍多くの画像が取られ得ることを意味する。さらに、サンプル中のルミネセンスマーカーによって時間単位ごとに連続的により多くの光子が放出されるようになるほど、各個々の画像のための必要とされる時間はより小さくなる。 In experiments to test the method according to the invention, a> 100-fold increase in the yield of photons from luminescent markers in the sample was achieved. This means that to record changes in the structure of interest in the sample, 100 times more images can be taken from that changing structure. Further, the more photons are emitted continuously per time unit by the luminescent marker in the sample, the less time is required for each individual image.
次に、図面を今度はより詳細に参照すると、図1は、それの上部に、励起光1の強度分布を介するセクションを示す。励起光1は、幾何学的焦点Fにおいて最大強度Iの強度最大値27を有する。しかしながら、強度Iは、すべての方向において焦点Fをはるかに越えて拡張している寸法をもつエリアにわたって分散される。このエリアの直径は、励起光1の波長λと、λ/NAに従って励起光1を焦点Fに合集するために使用される対物レンズの開口数NAとにおける回折バリアに対応する。サンプル中のルミネセンスマーカーの実効励起を、励起光1の強度分布がそれにわたって拡張するエリアよりも小さいエリアに限定するために、零点4と零点4に近接する強度最大値3とを有する蛍光抑制光2がサンプル上にさらに導かれる。ルミネセンス抑制光2は、蛍光マーカーが、例えば、誘導放出によって再び逆励起されるという点で、励起光1によって励起される蛍光マーカーによってルミネセンス光の放出を抑制する。蛍光抑制光2の零点4のエリア5外のどこでも、蛍光抑制光2の強度Iは極めて高いので、この逆励起は完全であり、すなわち、そこに位置するルミネセンスマーカーはどんな蛍光光も放出しない。その逆に、「零点4」という用語はエリア5全体を指し、このエリア5内で、蛍光抑制光2の強度Iは極めて小さいままであるので、それは、ここに位置する蛍光マーカーによって蛍光光の放出を少なくとも完全には抑制しない。下部において、図1は、実効蛍光励起6の空間分布を示す。この実効蛍光励起6は零点4のエリア5に限定される。サンプルが零点4で走査される場合、サンプルから放出される蛍光光は、常にエリア5から来て、したがって、サンプル中のエリア5のロケーションに割り当てられ得る。 Turning now to the drawings in more detail, FIG. 1 shows a section through the intensity distribution of the excitation light 1 at the top thereof. The excitation light 1 has an intensity maximum value 27 of the maximum intensity I at the geometric focus F. However, the intensity I is distributed over an area having dimensions that extend far beyond the focal point F in all directions. The diameter of this area corresponds to the diffraction barrier at the wavelength λ of the excitation light 1 and the numerical aperture NA of the objective lens used for focusing the excitation light 1 at the focal point F according to λ / NA. In order to limit the effective excitation of the luminescent marker in the sample to an area where the intensity distribution of the excitation light 1 is smaller than the area over which it extends, a fluorescence suppression having a zero 4 and an intensity maximum 3 close to the zero 4 Light 2 is further directed onto the sample. The luminescence suppression light 2 suppresses the emission of the luminescence light by the fluorescence marker excited by the excitation light 1 in that the fluorescence marker is back-excited again by stimulated emission, for example. Since the intensity I of the fluorescence suppression light 2 is very high everywhere outside the area 5 of the zero point 4 of the fluorescence suppression light 2, this reverse excitation is complete, i.e. the luminescent marker located there does not emit any fluorescence light. . On the contrary, the term “zero point 4” refers to the entire area 5, and in this area 5, the intensity I of the fluorescence suppression light 2 remains very small, so that it is reflected by the fluorescent marker located here. Release is not at least completely suppressed. In the lower part, FIG. 1 shows the spatial distribution of the effective fluorescence excitation 6. This effective fluorescence excitation 6 is limited to the area 5 of the zero point 4. When the sample is scanned at zero point 4, the fluorescent light emitted from the sample always comes from area 5 and can therefore be assigned to the location of area 5 in the sample.
サンプルを走査している間の零点4が、蛍光色素で、すなわち蛍光マーカーでマークされた注目する構造により近づくとき、蛍光マーカーは、蛍光マーカーが零点4のエリア5に入る前に、最初に強度最大値3と励起光1の重畳された強度とのエリアに入る。特にサンプルをラインごとに走査している間に、蛍光マーカーは、蛍光マーカーがエリア5に入り、蛍光マーカーによって放出される蛍光光が初めて登録される前に、高い光強度を繰り返し受ける。これにより、蛍光マーカーがエリア5に初めて入る前に、蛍光マーカーはすでに漂白されていることになり得る。この影響により、例えば、サンプル中の蛍光マーカーでマークされた注目する構造の時間的変化を監視するために、同じサンプルを繰り返し走査することは、しばしば不可能である。 When the zero point 4 while scanning the sample is closer to the structure of interest marked with a fluorescent dye, i.e. a fluorescent marker, the fluorescent marker is first intensified before the fluorescent marker enters the area 5 of the zero point 4. It enters the area of the maximum value 3 and the intensity on which the excitation light 1 is superimposed. In particular, while scanning the sample line by line, the fluorescent marker repeatedly receives high light intensity before the fluorescent marker enters area 5 and the fluorescent light emitted by the fluorescent marker is registered for the first time. This can mean that the fluorescent marker has already been bleached before it enters the area 5 for the first time. Due to this effect, it is often impossible to scan the same sample repeatedly, for example to monitor temporal changes in structures of interest marked with fluorescent markers in the sample.
しかしながら、図2に示されているように、零点4で走査されるサンプルの走査エリアが強度最大値3の距離D0のせいぜい3/4又は75%に画定される場合、特に図1による励起光1の強度との組合せで、強度最大値のエリア中の蛍光抑制光2の高い強度によって引き起こされる走査エリア中の蛍光マーカーの平均応力は、すでに低減されている。走査エリアの寸法が強度最大値3の距離D0の半分以下に限定される場合、この応力はさらに低減される。寸法をD0/2未満に限定すると、走査エリアを走査するとき、走査エリアの点は強度最大値3のピーク領域に入らない。走査エリアの寸法がD0/4に限定される場合、サンプルが走査エリア内で受ける蛍光抑制光2の最大強度は約I0/2に低減され、ただし、I0は、強度最大値3における蛍光抑制光2の最大強度である。 However, as shown in FIG. 2, if the scanning area of the sample scanned at zero 4 is defined as no more than 3/4 or 75% of the distance D 0 with an intensity maximum of 3, the excitation according to FIG. In combination with the intensity of light 1, the average stress of the fluorescent marker in the scanning area caused by the high intensity of the fluorescence suppression light 2 in the area of maximum intensity is already reduced. This stress is further reduced if the size of the scanning area is limited to less than half of the distance D 0 with a maximum intensity value of 3. To limit the size to less than D 0/2, when scanning the scan area, the point of the scan area does not enter the peak area of maximum intensity 3. If the dimensions of the scan area is limited to D 0/4, the maximum intensity of the fluorescence suppression beam 2 sample is subjected in the scanning area is reduced to about I 0/2, however, I 0 is the intensity maximum 3 This is the maximum intensity of the fluorescence suppression light 2.
図3は、ここではメアンダ形であるコース8に沿ってここでは零点4のエリア5で部分的にのみ示された走査サンプル3の走査エリア7を示す。走査されるべき部分エリア7は強度最大値3内に示され、これらの強度最大値3の位置は、走査エリア7の中心点10への零点4の整合に対応する。対応して、強度最大値、又はより正確には、図3においてハイライトされ、破線11で示された零点4の位置の周りに拡張している、ここではリング形の強度最大値3は、依然として走査エリア7と重複する。しかしながら、この重複は、走査エリア7の寸法をD0/2未満にさらに限定することによって回避され得る。しかしながら、ここで示されているように部分エリア7の寸法を約2D0/3に限定することによっても、蛍光抑制光2による走査エリア7中の蛍光マーカーの平均負荷のかなりの低減が達成される。 FIG. 3 shows a scanning area 7 of the scanning sample 3, shown here only partly here in the area 5 of the zero point 4 along the course 8, here in the form of a meander. The partial area 7 to be scanned is shown within the intensity maximum value 3 and the position of these intensity maximum values 3 corresponds to the alignment of the zero point 4 with the center point 10 of the scanning area 7. Correspondingly, the intensity maximum, or more precisely, is highlighted in FIG. 3 and extends around the position of the zero point 4 indicated by the dashed line 11, where the ring-shaped intensity maximum 3 is It still overlaps with the scanning area 7. However, this overlap, the size of the scan area 7 can be avoided by further limited to less than D 0/2. However, even by limiting the size of the partial area 7, as shown here about 2D 0/3, a significant reduction in the average load of the fluorescent marker in the scan area 7 by fluorescence depletion light 2 is achieved The
図4は、D0/2に低減されたサンプル8の走査エリア7を示す。ここで、破線11で示されたリング形の強度最大値3のコースは、走査エリア7内の零点4のどの位置でも部分エリア7にもはや達しない。さらに、図4は、走査エリア7が中心点10から開始してそれに沿って走査されるスパイラルコース12を示す。走査エリア7を走査するとき、零点4がそれに沿って移動されるコースの形状とは無関係に、サンプル8から放出され登録される蛍光光は、サンプル3内の零点4のそれぞれのロケーションに割り当てられる。 FIG. 4 shows the scan area 7 of the sample 8 reduced to D 0/2 . Here, the ring-shaped course of the maximum intensity value 3 indicated by the broken line 11 no longer reaches the partial area 7 at any position of the zero point 4 in the scanning area 7. Furthermore, FIG. 4 shows a spiral course 12 in which the scanning area 7 starts at the center point 10 and is scanned along it. When scanning the scanning area 7, the fluorescent light emitted and registered from the sample 8 is assigned to the respective location of the zero point 4 in the sample 3, regardless of the course shape along which the zero point 4 is moved. .
図5に示された本発明の実施形態は、走査エリア7が、中心点10の周りのリング形の最大値3によって囲まれるものの断片にもはや限定されないという点で、図3及び図4に示された実施形態とは異なる。代わりに、スパイラルコース12に沿ってサンプルの部分エリア8が走査され、その直径は、中心点10の周りのリング形の最大値3の直径よりも大きい。ここで、スパイラルコース12によって後でのみ横断される走査エリア7の部分の蛍光抑制光2への前の暴露が着実に増加する。中心点10に近接する部分では、蛍光抑制光2による前の負荷は、しかしながら、最小である。走査エリア7の中心点2がサンプル8の特に興味深い点に導かれる場合、サンプル8からの蛍光光の最大収量がここで達成され、この最大収量は、中心点10までの距離の増加とともに減少するが、サンプル8の特に興味深い点の周囲を画像化するのには十分なままである。 The embodiment of the invention shown in FIG. 5 is shown in FIGS. 3 and 4 in that the scanning area 7 is no longer limited to a piece of what is surrounded by a ring-shaped maximum 3 around the center point 10. Different from the described embodiment. Instead, a partial area 8 of the sample is scanned along the spiral course 12 and its diameter is larger than the diameter of the ring-shaped maximum 3 around the center point 10. Here, the previous exposure to the fluorescence suppression light 2 of the part of the scanning area 7 which is only traversed later by the spiral course 12 steadily increases. In the part close to the center point 10, the previous load due to the fluorescence suppression light 2 is, however, minimal. If the center point 2 of the scanning area 7 is led to a particularly interesting point of the sample 8, the maximum yield of fluorescent light from the sample 8 is now achieved and this maximum yield decreases with increasing distance to the center point 10. However, it remains sufficient to image around a particularly interesting point of sample 8.
図6は、本発明による方法を行うのに特に適した走査型蛍光光学顕微鏡13を示す。走査型蛍光光学顕微鏡13は、蛍光抑制光2を提供する光源14を備え、蛍光抑制光2の断面は拡大光学部品15によって広げられ、それの断面を横切る蛍光抑制光2の波面は、蛍光抑制光2が対物レンズ45によってサンプル8に合焦されたとき、図1及び図2による零点4及び近接する強度最大値3がそれぞれの焦点ポイントFの周りに形成されるような方法で、位相プレート16によって変調される。さらなる拡大光学部品18をもつさらなる光源17は励起光1を提供している。2色性ミラー19によって、励起光1と蛍光抑制光2は、励起光1が図1に従って蛍光抑制光2の零点4のエリア5中にそれの強度最大値27を有するように、組み合わされる。蛍光抑制光2の零点のエリアから放出された蛍光光20は、2色性ミラー26によって分離され、点検出器21で登録され、サンプル8内の零点4のそれぞれのロケーションに割り当てられる。スキャナ22及び23は2つの直交走査方向のために提供され、スキャナ22及び23は、蛍光抑制光2の零点でサンプル8中のそれぞれの走査エリアを走査するために組合せで動作される。スキャナ22及び23は、励起光1及び蛍光抑制光2の方向のみに影響を及ぼし;スキャナ22及び23は、蛍光抑制光2のビーム経路において配置のみさえされ得る。サンプル8の走査エリア7が回折バリアを下回る寸法を有するとき、サンプル8中の走査エリア内の蛍光抑制光2の零点のエリアから放出される蛍光光20は、サンプル3に対して点検出器21が空間的に固定された配置の場合でも、すなわち、スキャナ22及び23による零点のシフトにもかかわらず、常に点検出器21に入る。これは、走査エリア7が回折バリアを下回る寸法を有するからである。例えば、好適な走査エリアの位置を初めに決定するために、走査エリア7を越えてサンプル8を走査するために、対応するシフトシンボル25によって単にここで示されているさらなるスキャナが、サンプルホルダー24のエリア中に提供される。 FIG. 6 shows a scanning fluorescence optical microscope 13 which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention. The scanning fluorescence optical microscope 13 includes a light source 14 that provides fluorescence suppression light 2, and the cross section of the fluorescence suppression light 2 is widened by the magnifying optical component 15, and the wavefront of the fluorescence suppression light 2 that crosses the cross section of the light is suppressed. The phase plate in such a way that when the light 2 is focused on the sample 8 by the objective lens 45, the zero point 4 and the adjacent intensity maximum 3 according to FIGS. 1 and 2 are formed around the respective focal point F. 16 is modulated. A further light source 17 with a further magnifying optic 18 provides the excitation light 1. By means of the dichroic mirror 19, the excitation light 1 and the fluorescence suppression light 2 are combined so that the excitation light 1 has its maximum intensity value 27 in the area 5 of the zero point 4 of the fluorescence suppression light 2 according to FIG. The fluorescent light 20 emitted from the zero point area of the fluorescence suppression light 2 is separated by the dichroic mirror 26, registered by the point detector 21, and assigned to each location of the zero point 4 in the sample 8. Scanners 22 and 23 are provided for two orthogonal scan directions, and scanners 22 and 23 are operated in combination to scan the respective scan area in sample 8 at the zero point of fluorescence suppression light 2. The scanners 22 and 23 only affect the direction of the excitation light 1 and the fluorescence suppression light 2; the scanners 22 and 23 can even be arranged only in the beam path of the fluorescence suppression light 2. When the scanning area 7 of the sample 8 has a dimension below the diffraction barrier, the fluorescent light 20 emitted from the zero point area of the fluorescence suppression light 2 in the scanning area in the sample 8 is a point detector 21 for the sample 3 Is always in the point detector 21 even in the case of a spatially fixed arrangement, ie despite the zero shift by the scanners 22 and 23. This is because the scanning area 7 has a dimension below the diffraction barrier. For example, in order to initially determine the position of the preferred scan area, to scan the sample 8 beyond the scan area 7, a further scanner, simply indicated here by the corresponding shift symbol 25, is Provided throughout the area.
ここまで、蛍光抑制光2の強度分布の零点4が、z方向において近接する強度最大値3によっても画定され得ることはまだ明示的に述べられてなく、ここで、蛍光抑制光2は、このz方向においてもサンプル8中の注目する構造を画像化する際の空間解像度を増加させるために、サンプル上に導かれる。対応して、走査エリア7はまた、次いで、z方向における光の強度最大値の距離のせいぜい75%、好ましくは50%未満にこのz方向において限定されることになるか、又はまた、それの中心点10において開始して、及び中心点10までの距離の増加とともにz方向に走査されることになる。z方向においてサンプルを画像化する際の空間解像度の増加は、例えば、蛍光光を放出するための蛍光マーカーの4PI配置もしくは2光子励起のような他の手段、又は蛍光顕微鏡法の分野において知られている他の手段によっても達成され得る。また、ここで説明する方法は、蛍光顕微鏡法の分野において知られている他の手段で補足され得ることが、概して当てはまる。蛍光抑制光2及び/又は励起光1をパルスで適用すること、励起光1又は蛍光抑制光2の同時連続適用、それぞれのパルス後の定義された時間ゲートにおける蛍光光のゲート登録などが、これらの手段に属する。 Up to this point, it has not yet been explicitly stated that the zero point 4 of the intensity distribution of the fluorescence suppression light 2 can also be defined by the maximum intensity value 3 that is close in the z direction, where the fluorescence suppression light 2 is In order to increase the spatial resolution when imaging the structure of interest in the sample 8 also in the z direction, it is guided onto the sample. Correspondingly, the scanning area 7 will then also be limited in this z direction to no more than 75%, preferably less than 50% of the distance of the light intensity maximum in the z direction, or Starting at the center point 10 and with increasing distance to the center point 10 will be scanned in the z direction. The increase in spatial resolution when imaging a sample in the z-direction is known in the field of fluorescence microscopy, for example, other means such as 4PI placement of fluorescent markers or two-photon excitation to emit fluorescent light. It can also be achieved by other means. It is also generally true that the methods described herein can be supplemented by other means known in the field of fluorescence microscopy. Applying fluorescence suppression light 2 and / or excitation light 1 in pulses, simultaneous and continuous application of excitation light 1 or fluorescence suppression light 2, and gate registration of fluorescence light at defined time gates after each pulse, etc. Belonging to the means.
サンプルについて、図7(a)による共焦点画像が取られており、注目する構造はルミネセンスマーカーヌクレオポリンgp210でマークされている。共焦点画像は、注目する構造の概観を提供する。この概観から、別個の走査エリアが選択されており、これらの走査エリアでは、本発明の本方法に従ってSTED画像が取られている。これらの走査エリアは励起光の焦点エリアよりも小さい。走査エリアにおいて、注目する構造は、高い空間解像度と、蛍光光の高い収量の両方で画像化される。図7(b)に示されたサンプルの部分画像を画像化し、走査エリアを提示するために、635nmの波長及び5μWの電力における励起光が、20MHzの繰返しレートにおいてパルスでサンプルに導かれている。775nmの波長におけるSTED光が、150mWの電力における1.2nsのパルス長における同期パルスでサンプルに導かれている。励起光及びSTED光は、1.4NA油反転対物レンズによってサンプルに合焦されている。蛍光光は、油反転対物レンズ及びさらなるレンズによって点検出器上に合焦されている。 For the sample, a confocal image according to FIG. 7 (a) has been taken and the structure of interest is marked with the luminescence marker nucleoporin gp210. Confocal images provide an overview of the structure of interest. From this overview, separate scan areas have been selected in which STED images have been taken according to the present method of the present invention. These scanning areas are smaller than the focal area of the excitation light. In the scanning area, the structure of interest is imaged with both high spatial resolution and high yield of fluorescent light. To image a partial image of the sample shown in FIG. 7 (b) and present a scanning area, excitation light at a wavelength of 635 nm and a power of 5 μW is pulsed into the sample at a repetition rate of 20 MHz. . STED light at a wavelength of 775 nm is guided to the sample with a sync pulse at a pulse length of 1.2 ns at a power of 150 mW. The excitation light and STED light are focused on the sample by the 1.4NA oil reversal objective lens. The fluorescent light is focused on the point detector by an oil reversal objective lens and a further lens.
図8は、STED走査蛍光光学顕微鏡法における走査エリアの寸法に応じた、染色された核孔タンパク質複合体の漂白挙動を示す。τ1/2は、蛍光信号が漂白により開始値の半分にドロップする前に取られ得る画像の数を示す。τ1/2は、走査エリアの寸法にわたってナノメートルでプロットされている。STED電力は160mWであり、励起電力は2μWであった。それ以外は、STED条件は、図7による条件に対応した。100×100nm2の走査エリアの寸法では、漂白は、800×800nm2の寸法と比較して100分の1に低減される。対応して、例えば、サンプル中の動的プロセスを監視するために、同じ走査エリアから100倍多くの画像が取られ得る。 FIG. 8 shows the bleaching behavior of the stained nuclear pore protein complex as a function of the size of the scanning area in STED scanning fluorescence optical microscopy. τ1 / 2 indicates the number of images that can be taken before the fluorescent signal drops to half the starting value due to bleaching. τ1 / 2 is plotted in nanometers over the dimensions of the scan area. The STED power was 160 mW and the excitation power was 2 μW. Otherwise, the STED conditions corresponded to the conditions according to FIG. With a scan area size of 100 × 100 nm 2 , bleaching is reduced by a factor of 100 compared to a size of 800 × 800 nm 2 . Correspondingly, for example, 100 times more images can be taken from the same scanning area to monitor the dynamic process in the sample.
図9による走査型蛍光顕微鏡13は、図6に示された走査型蛍光顕微鏡に対して以下の差異を備える。サンプル8から見られると、点検出器21は、サンプル3から検出器21のほうへ来ている蛍光光20をスキャナがデスキャンするように、スキャナ22及び23の背後に配置される。ここで、スキャナ22及び23は、蛍光抑制光2の零点で走査されるべき走査エリアを走査することと、サンプル8中で走査エリアを全体的に配置及びシフトすることの両方のために提供される。図9はまた、サンプル8から見られるとスキャナ22及び23の上流に配置された蛍光光のための検出器28を示している。しかしながら、これは点検出器ではなく、カメラ29、すなわち2次元検出器である。この検出器28は、点検出器21に加えて又は点検出器21の代わりに提供され得、蛍光光20を検出器28のほうへ偏向させる2色性ミラー30が、対物レンズ45とスキャナ22及び23との間に一時的あるいは永続的に配置される。 The scanning fluorescent microscope 13 according to FIG. 9 has the following differences from the scanning fluorescent microscope shown in FIG. When viewed from the sample 8, the point detector 21 is placed behind the scanners 22 and 23 so that the scanner descans the fluorescent light 20 coming from the sample 3 toward the detector 21. Here, the scanners 22 and 23 are provided both for scanning the scanning area to be scanned at the zero point of the fluorescence suppression light 2 and for arranging and shifting the scanning area entirely in the sample 8. The FIG. 9 also shows a detector 28 for fluorescent light located upstream of the scanners 22 and 23 when viewed from the sample 8. However, this is not a point detector, but a camera 29, ie a two-dimensional detector. This detector 28 may be provided in addition to or in place of the point detector 21, and a dichroic mirror 30 that deflects the fluorescent light 20 towards the detector 28 includes an objective lens 45 and a scanner 22. And 23 temporarily or permanently.
さらに、図9による走査型蛍光顕微鏡13にはスイッチオフ光源31があり、このスイッチオフ光源31には、蛍光抑制光2の零点でそれぞれの走査エリアを走査するより前にスイッチオフ光34を提供するために拡大光学部品32が割り当てられる。スイッチオフ光34は2色性ミラー43によって中に結合され、サンプル8におけるそれの強度分布は、ビーム整形器33が、走査されるべき部分エリアに近接するサンプル8の部分エリアにおいて、サンプル8中にある切替え可能ルミネセンスマーカーを非アクティブ状態に切り替えるように、ビーム整形器33によって形成される。この非アクティブ状態では、サンプル8中の切替え可能ルミネセンスマーカーは、励起光1によって蛍光光20の放出のために興奮性でない。対応して、走査エリアに近接するエリアにおけるルミネセンスマーカーのための誘導光の形態の蛍光抑制光2により、漂白の関連する危険はなくなる。したがって、図9による走査型蛍光顕微鏡13では、蛍光抑制光2の零点でサンプル8のすでに走査された走査エリアに近接するサンプル8のさらなる走査エリアを走査することと、サンプル3から放出される蛍光光20を登録することとが可能であり、なぜならば、さらなる走査エリア中にあるルミネセンスマーカーは、漂白に対してそれらのルミネセンスマーカーを保護する非アクティブ状態であったため、近接する走査エリアを以前に走査することによって漂白されていないからである。 Further, the scanning fluorescence microscope 13 according to FIG. 9 has a switch-off light source 31, which provides a switch-off light 34 before scanning each scanning area at the zero point of the fluorescence suppression light 2. The magnifying optical component 32 is assigned to do this. The switch-off light 34 is coupled in by a dichroic mirror 43 and its intensity distribution in the sample 8 is in the sample 8 in a partial area of the sample 8 where the beam shaper 33 is close to the partial area to be scanned. Is formed by the beam shaper 33 to switch the switchable luminescence marker at In this inactive state, the switchable luminescence marker in sample 8 is not excitable due to the emission of fluorescent light 20 by excitation light 1. Correspondingly, the fluorescence-inhibiting light 2 in the form of guided light for the luminescent markers in the area close to the scanning area eliminates the risks associated with bleaching. 9, the scanning fluorescence microscope 13 according to FIG. 9 scans a further scanning area of the sample 8 close to the already scanned scanning area of the sample 8 at the zero point of the fluorescence suppression light 2, and the fluorescence emitted from the sample 3. It is possible to register light 20 because luminescent markers in further scanning areas were inactive, protecting them against bleaching, so This is because it has not been bleached by scanning before.
蛍光光20の放出のために励起光1で近接する走査エリアにおいてルミネセンスマーカーを励起することが可能であるためには、ルミネセンスマーカーはアクティブ状態である必要がある。これを達成するために、ルミネセンスマーカーの非アクティブ状態からアクティブ状態へのルミネセンスマーカーの自発的復帰を待ってもよい。しかしながら、図9による走査型蛍光顕微鏡13は、スイッチオン光37を提供し、2色性ミラー44を介してスイッチオン光37をサンプル8上に導く、拡大光学部品36をもつ追加のスイッチオン光源35をも備える。スイッチオン光によって、次の走査エリア中のルミネセンスマーカーは初めにそれらのアクティブ状態に切り替えられる。スイッチオン光37によってカバーされるサンプル8の部分エリアは、その後に、スイッチオフ光34によって、次に走査されるべき走査エリアの外側のルミネセンスマーカーがそれらの非アクティブ状態に移されるので、次に走査されるべき走査エリアよりも大きくなり得る。したがって、サンプル8は、走査型蛍光顕微鏡13を用いて2つのステップで、すなわち、走査エリアを用いる大きいステップで、及び走査エリアの各ロケーション内で蛍光抑制光2の零点を用いる小さいステップで走査され得る。 In order to be able to excite the luminescence marker in the scanning area adjacent to the excitation light 1 for the emission of the fluorescent light 20, the luminescence marker needs to be in an active state. To accomplish this, the luminescence marker may wait for spontaneous return from the inactive state to the active state. However, the scanning fluorescence microscope 13 according to FIG. 9 provides an additional switch-on light source with magnifying optics 36 that provides the switch-on light 37 and directs the switch-on light 37 onto the sample 8 via the dichroic mirror 44. 35 is also provided. With the switch-on light, the luminescent markers in the next scanning area are initially switched to their active state. The partial area of sample 8 covered by the switch-on light 37 is then transferred to their inactive state by the switch-off light 34 since the luminescence markers outside the next scan area to be scanned are moved to their inactive state. Can be larger than the scanning area to be scanned. Thus, the sample 8 is scanned using the scanning fluorescence microscope 13 in two steps: a large step using the scanning area and a small step using the zero point of the fluorescence suppression light 2 within each location of the scanning area. obtain.
スイッチオン光37又はスイッチオフ光34でサンプル8中のルミネセンスマーカーをオンに切り替える及び/又はオフに切り替える際に、蛍光光20の放出のために様々な切替え可能ルミネセンスマーカーも励起される。この蛍光光20は、したがって、サンプル8のそれぞれの部分エリア中のルミネセンスマーカーの濃度に関する情報をすでに提供している。この情報は、対応して、蛍光抑制光2の零点で次の走査エリアを走査することにおいて何らかの値があるか否かに関する判定のために評価及び使用され得る。どんな値もない場合、不必要にサンプル8を蛍光抑制光2にかけないように、そのような走査は実行もされなくなる。さらに、ルミネセンスマーカーをオンに切り替え及びオフに切り替えている間に登録される蛍光光は、RESCue方法に従って好適なようにできる限り早く蛍光抑制光2及び励起光1へのサンプル8の暴露を限定するために、走査エリア中の蛍光抑制光2の零点のそれぞれのロケーションにおいて登録される蛍光光の上限及び/又は下限しきい値を設定するために使用され得る。 When switching the luminescence marker in the sample 8 on and / or off with the switch-on light 37 or the switch-off light 34, various switchable luminescence markers are also excited for the emission of the fluorescent light 20. This fluorescent light 20 thus already provides information on the concentration of the luminescent marker in each partial area of the sample 8. This information can correspondingly be evaluated and used to determine whether there is any value in scanning the next scanning area at the zero point of the fluorescence suppression light 2. In the absence of any value, such a scan will not be performed so that the sample 8 is not unnecessarily exposed to the fluorescence suppression light 2. Furthermore, the fluorescence light registered while switching the luminescence marker on and off limits the exposure of the sample 8 to the fluorescence suppression light 2 and the excitation light 1 as soon as possible according to the RESCue method. In order to do this, it can be used to set an upper and / or lower threshold for the fluorescent light registered at each location of the zero point of the fluorescence suppression light 2 in the scanning area.
大事なことを言い忘れていたが、図9は、走査型蛍光顕微鏡13の光源14及び17、スイッチオン光源35、スイッチオフ光源31ならびにスキャナ22及び23のためのコントローラ38を示しており、このコントローラ38は、本発明による方法を行うためにそれらを制御する。 Importantly forgotten, FIG. 9 shows a controller 38 for the light sources 14 and 17, the switch-on light source 35, the switch-off light source 31 and the scanners 22 and 23 of the scanning fluorescence microscope 13. The controller 38 controls them to carry out the method according to the invention.
図10は、走査エリア7と、この部分エリア7を囲んでいる蛍光抑制光の強度最大値3とを示し、蛍光抑制光の零点は走査エリア7の中心点10にある。さらに、図10にはリング形の近接する部分エリア39が示され、部分エリア39内では、サンプル8は、走査エリア7を走査するより前に、スイッチオフ光34を受けて、それにより、ここに位置する切替え可能蛍光マーカーがそれらの非アクティブ状態に移る。部分エリア39は走査エリア7を除外し、すなわち、光オフスイッチ34の強度は走査エリア7中で0であるか又は少なくとも極めて小さいので、スイッチオフ光34がその間にサンプル8に導かれる時間期間内にルミネセンスマーカーをオフに切り替えるのには不十分である。切替え可能ルミネセンスマーカーが、少なくとも走査エリア7中では、それらのアクティブ状態であることを保証するために、スイッチオン光37は、スイッチオフ光34より前に又はそれと一時的に重複して、走査エリア7を含む円形の部分エリア40中でサンプル8上に導かれる。 FIG. 10 shows the scanning area 7 and the maximum fluorescence suppression light intensity value 3 surrounding the partial area 7, and the zero point of the fluorescence suppression light is at the center point 10 of the scanning area 7. Further, FIG. 10 shows a ring-shaped adjacent partial area 39 in which the sample 8 receives the switch-off light 34 before scanning the scanning area 7, thereby The switchable fluorescent markers located at are moved to their inactive state. The partial area 39 excludes the scanning area 7, i.e. the intensity of the light-off switch 34 is zero or at least very small in the scanning area 7, so that within the time period during which the switch-off light 34 is guided to the sample 8. Insufficient to switch off the luminescent marker. In order to ensure that the switchable luminescence markers are in their active state, at least in the scanning area 7, the switch-on light 37 is scanned before or temporarily overlapping the switch-off light 34. It is guided on the sample 8 in a circular partial area 40 including the area 7.
図11は、サンプル8がどのように走査エリア7で走査され得るかを示す。ここで、図11(a)は、サンプル8中の図10による円形走査エリア7のいくつかの連続位置を示し;走査エリア7のこれらの位置のうちの1つについて、サンプル8の正方形エリアがそれに沿って走査されるコース9が部分エリア7内に示されている。図11(b)は、サンプル8がどのようにそのような正方形部分エリア41で完全にカバーされ、したがって完全に画像化され得るかを示す。 FIG. 11 shows how the sample 8 can be scanned in the scanning area 7. Here, FIG. 11 (a) shows several successive positions of the circular scanning area 7 according to FIG. 10 in the sample 8; for one of these positions of the scanning area 7, the square area of the sample 8 is A course 9 scanned along it is shown in the partial area 7. FIG. 11 (b) shows how the sample 8 is completely covered with such a square area 41 and can therefore be fully imaged.
図12は、走査エリア7でサンプル8を走査する別の方法を示す。ここで、円形走査エリア7の連続位置は、サンプル8内の六角形配置で配置される。部分エリア7がそれの位置の各々においてルミネセンス抑制光の零点でそれに沿って走査されるコース9は、正六角形にわたって延びる。図12(b)は、これらの正六角形42を用いてサンプル8全体がどのようにカバーされ、したがって画像化され得るかを示す。 FIG. 12 shows another method of scanning the sample 8 in the scanning area 7. Here, the continuous positions of the circular scanning area 7 are arranged in a hexagonal arrangement in the sample 8. The course 9 in which the partial area 7 is scanned along the zero point of the luminescence suppression light at each of its positions extends over a regular hexagon. FIG. 12 (b) shows how these regular hexagons 42 can be used to cover the entire sample 8 and thus be imaged.
図13は、本発明による方法のブロック図であり、サンプル8中の走査エリア7の寸法と走査エリア7のロケーションの両方に関して走査エリア7を決定するステップ46で開始される。次のステップ47において、走査エリア7は、蛍光抑制光2の強度分布の零点4で走査される。並列ステップ48において、サンプルから放出される蛍光光が登録される。ステップ49において、ステップ48において登録された蛍光光が、ステップ47における零点4の現在ロケーションに割り当てられる。これは、ステップ48において、サンプル8から放出された蛍光光が時間解像度で登録されることと、ステップ47において、走査エリア7が時間解像度において零点4で走査されることとを暗示し、したがって、ステップ48において登録された蛍光光の特定の量は、走査エリア7中の零点4の特定の位置に割り当てられ得る。ステップ47〜49によって、走査エリア7は走査され、1回画像化される。この画像化は、例えば、走査エリア7中の蛍光マーカーでマークされた注目する構造の変化を監視するために繰り返され得る。 FIG. 13 is a block diagram of a method according to the present invention, beginning with step 46 which determines the scan area 7 with respect to both the size of the scan area 7 in the sample 8 and the location of the scan area 7. In the next step 47, the scanning area 7 is scanned at the zero point 4 of the intensity distribution of the fluorescence suppression light 2. In parallel step 48, the fluorescent light emitted from the sample is registered. In step 49, the fluorescent light registered in step 48 is assigned to the current location of zero 4 in step 47. This implies that in step 48 the fluorescent light emitted from the sample 8 is registered with temporal resolution and in step 47 that the scanning area 7 is scanned with zero point 4 in temporal resolution, thus The specific amount of fluorescent light registered in step 48 can be assigned to a specific position of the zero point 4 in the scanning area 7. Through steps 47 to 49, the scanning area 7 is scanned and imaged once. This imaging can be repeated, for example, to monitor changes in the structure of interest marked with a fluorescent marker in the scanning area 7.
図14に示された本発明の方法の実施形態は、走査エリア7を決定するステップ46で開始する。後続のステップ50において、走査エリア7を含むエリア中の蛍光マーカーがアクティブ状態にスイッチオンされる。これは、例えば、蛍光マーカーが、スイッチオン光37によってオンに切り替えられ得る切替え可能マーカーであることを暗示する。次のステップ51において、走査エリア7の外側の蛍光マーカーが非アクティブ状態にスイッチオフされる。これはスイッチオフ光34によって行われ得る。非アクティブ状態では、蛍光マーカーは、蛍光抑制光2の高い光強度による漂白に対して保護される。次に、ステップ47において、走査エリア7は、蛍光抑制光の強度分布の零点4で走査される。その後、ステップ46が繰り返される。ステップ46のこの繰り返しにおいて、走査エリア7は、走査エリア7の前の位置に近接する位置に置かれ得る。蛍光マーカーはここで蛍光抑制光の高い強度を受けているが、蛍光マーカーが非アクティブ状態であったので、蛍光マーカーはここで漂白されない。したがって、蛍光マーカーは今や測定され得る。次いで、サンプル中の注目するすべてのエリアが走査エリア7で走査され、したがって画像化されるまで、ステップ46、50、51及び47を含むループが繰り返される。 The method embodiment of the present invention shown in FIG. 14 begins at step 46 where the scan area 7 is determined. In a subsequent step 50, the fluorescent marker in the area including the scanning area 7 is switched on. This implies, for example, that the fluorescent marker is a switchable marker that can be switched on by the switch-on light 37. In the next step 51, the fluorescent marker outside the scanning area 7 is switched off to the inactive state. This can be done by the switch-off light 34. In the inactive state, the fluorescent marker is protected against bleaching due to the high light intensity of the fluorescence suppression light 2. Next, in step 47, the scanning area 7 is scanned at the zero point 4 of the intensity distribution of the fluorescence suppression light. Thereafter, step 46 is repeated. In this repetition of step 46, the scanning area 7 may be placed at a position close to the previous position of the scanning area 7. The fluorescent marker now receives a high intensity of fluorescence suppression light, but since the fluorescent marker was in an inactive state, the fluorescent marker is not bleached here. Thus, the fluorescent marker can now be measured. The loop including steps 46, 50, 51 and 47 is then repeated until all areas of interest in the sample are scanned in scan area 7 and thus imaged.
本発明の趣旨及び原理から実質的に逸脱することなしに、多くの変更及び修正が本発明の好ましい実施形態に行われ得る。すべてのそのような修正及び変更は、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内で本明細書に含まれるものである。 Many changes and modifications may be made to the preferred embodiments of the present invention without substantially departing from the spirit and principles of the present invention. All such modifications and changes are intended to be included herein within the scope of the present invention as defined by the following claims.
Claims (27)
零点と少なくとも1つの方向において前記零点に近接する強度最大値とを有する強度分布で、前記ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光を前記サンプル上に導くことと;
前記零点で走査エリアを走査することであって、前記走査エリアが前記サンプルの一部である、ことと;
前記走査エリアを走査している間に、前記サンプル中に前記零点を含む局所エリアから放出されるルミネセンス光を登録することと;
前記登録されたルミネセンス光を前記サンプル中の前記零点のそれぞれのロケーションに割り当てることと;
を含み、
前記強度最大値が前記サンプル中の前記零点に近接する前記少なくとも1つの方向における前記走査エリアの寸法は、前記少なくとも1つの方向において前記強度最大値の距離の75%よりも大きくない、
方法。 A method for high resolution imaging of a structure in a sample, wherein the structure is marked with a luminescence marker, the method comprising:
Directing light on the sample that influences the emission of luminescent light by the luminescence marker in an intensity distribution having a zero and an intensity maximum close to the zero in at least one direction;
Scanning a scanning area at the zero point, the scanning area being part of the sample;
Registering luminescent light emitted from a local area including the zero in the sample while scanning the scanning area;
Assigning the registered luminescent light to each location of the zero in the sample;
Including
The dimension of the scanning area in the at least one direction where the intensity maximum is close to the zero in the sample is not greater than 75% of the distance of the intensity maximum in the at least one direction;
Method.
前記光の少なくともより50%低い強度と、
少なくともより50%高い走査速度と
のうちの少なくとも1つにおいて前記零点で走査される、請求項5に記載の方法。 Prior to scanning the scan area, a larger partial area of the sample is
An intensity at least 50% lower than the light;
6. The method of claim 5, wherein the zero is scanned at at least one of at least 50% higher scan speed.
電気光学スキャナ、
音響光学ディフレクタ、
ガルボスキャナ、及び
ガルボミラー
のうちの少なくとも1つが、前記少なくとも1つの方向において前記走査エリアを走査するために使用される、
請求項5に記載の方法。 A sample holder is moved relative to an objective lens by which the light is directed onto the sample to scan the larger area of the sample;
Electro-optic scanner,
Acousto-optic deflector,
At least one of a galvo scanner and a galvo mirror is used to scan the scanning area in the at least one direction;
The method of claim 5.
前記近接するエリアによって画定される前記走査エリアが前記零点で走査されることになるかどうか;
前記励起光が、前記近接する部分エリアによって画定される前記走査エリア中の前記サンプル上に導かれることになるかどうか;及び
どんな条件下で、前記誘導光を、前記近接するエリアによって画定される前記走査エリア中の前記零点の各位置における前記サンプル上に導くことと、前記零点の前記エリアから放出される前記ルミネセンス光を登録することとが中断されることになるか
のうちの少なくとも1つである、請求項15に記載の方法。 The result of the step to evaluate is:
Whether the scanning area defined by the adjacent area will be scanned at the zero point;
Whether the excitation light will be directed onto the sample in the scanning area defined by the adjacent partial area; and under what conditions the guided light is defined by the adjacent area At least one of guiding on the sample at each position of the zero in the scanning area and registering the luminescent light emitted from the area of the zero will be interrupted. 16. The method of claim 15, wherein
零点と少なくとも1つの方向において前記零点に近接する強度最大値とを有する強度分布で、前記ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光を前記サンプル上に導くことと;
前記零点で走査エリアを走査することであって、前記走査エリアが前記サンプルの一部である、ことと;
前記走査エリアを走査している間に、前記サンプル中に前記零点を含む局所エリアから放出されるルミネセンス光を登録することと;
前記登録されたルミネセンス光を前記サンプル中の前記零点のそれぞれのロケーションに割り当てることと;
を含み、
前記走査エリアは、中心点において開始する前記零点で、及び前記少なくとも1つの方向における前記中心点までの距離の増加とともに走査される、
方法。 A method of high spatial resolution imaging of a structure in a sample, wherein the structure is marked with a luminescence marker, the method comprising:
Directing light on the sample that influences the emission of luminescent light by the luminescence marker in an intensity distribution having a zero and an intensity maximum close to the zero in at least one direction;
Scanning a scanning area at the zero point, the scanning area being part of the sample;
Registering luminescent light emitted from a local area including the zero in the sample while scanning the scanning area;
Assigning the registered luminescent light to each location of the zero in the sample;
Including
The scan area is scanned at the zero point starting at a center point and with increasing distance to the center point in the at least one direction;
Method.
光を提供するように構成された光源と;
零点と前記零点に近接する強度最大値とを有する強度分布で前記光をサンプル上に導くように構成された光整形器と;
前記零点で走査エリアを走査するように構成されたスキャナであって、前記走査エリアが前記サンプルの部分エリアである、スキャナと;
前記零点の前記エリアから放出されるルミネセンス光を登録するように構成された検出器と;
サンプル中の構造を高解像度画像化する方法を実装するソフトウェアを用いてプログラムされたコントローラとであって、前記構造がルミネセンスマーカーでマークされる、コントローラと、を備え、前記方法は、
零点と少なくとも1つの方向において前記零点に近接する強度最大値とを有する強度分布で、前記ルミネセンスマーカーによってルミネセンス光の放出に影響を及ぼす光を前記サンプル上に導くことと;
前記零点で走査エリアを走査することであって、前記走査エリアが前記サンプルの一部である、ことと;
前記走査エリアを走査している間に、前記サンプル中に前記零点を含む局所エリアから放出されるルミネセンス光を登録することと;
前記登録されたルミネセンス光を前記サンプル中の前記零点のそれぞれのロケーションに割り当てることと;
を含み、
前記強度最大値が前記サンプル中の前記零点に近接する前記少なくとも1つの方向における前記走査エリアの寸法は、前記少なくとも1つの方向において前記強度最大値の距離の75%よりも大きくないか、又は前記走査エリアは、中心点において開始する前記零点で、及び前記少なくとも1つの方向における前記中心点までの距離の増加とともに走査される、
走査型ルミネセンス光学顕微鏡。 A scanning luminescence optical microscope,
A light source configured to provide light;
A light shaper configured to direct the light onto the sample in an intensity distribution having a zero and an intensity maximum proximate to the zero;
A scanner configured to scan a scanning area at the zero point, wherein the scanning area is a partial area of the sample;
A detector configured to register luminescent light emitted from the area of the zero;
A controller programmed with software implementing a method for high resolution imaging of structures in a sample, wherein the structure is marked with a luminescence marker, the method comprising:
Directing light on the sample that influences the emission of luminescent light by the luminescence marker in an intensity distribution having a zero and an intensity maximum close to the zero in at least one direction;
Scanning a scanning area at the zero point, the scanning area being part of the sample;
Registering luminescent light emitted from a local area including the zero in the sample while scanning the scanning area;
Assigning the registered luminescent light to each location of the zero in the sample;
Including
The dimension of the scanning area in the at least one direction where the intensity maximum is close to the zero in the sample is not greater than 75% of the distance of the intensity maximum in the at least one direction, or A scanning area is scanned at the zero point starting at the center point and with increasing distance to the center point in the at least one direction,
Scanning luminescence optical microscope.
励起光を提供するように構成されたさらなる光源であって、前記光整形器が、前記誘導光の前記零点の前記エリア中で最大値を有する強度分布で前記誘導光をサンプル上に導くように構成された、光源と、
スイッチオフ光を提供するように構成されたスイッチオフ光源であって、前記光整形器は、前記光整形器が、近接する部分エリア中の切替え可能ルミネセンスマーカーを非アクティブ状態にスイッチオフするような強度分布で前記スイッチオフ光を前記サンプル上に導くように構成され、前記近接する部分エリアは、前記強度最大値が前記誘導光の前記零点に近接する前記少なくとも1つの方向における前記走査エリアに近接する、スイッチオフ光源と
をさらに備える、請求項23に記載の走査型ルミネセンス光学顕微鏡。 The light provided by the light source is guided light and the scanning luminescence optical microscope is:
A further light source configured to provide excitation light, wherein the light shaper directs the guided light onto the sample with an intensity distribution having a maximum value in the area of the zero point of the guided light. A configured light source;
A switch-off light source configured to provide switch-off light, wherein the light shaper causes the light shaper to switch off a switchable luminescence marker in an adjacent partial area to an inactive state. The switch-off light is configured to be guided onto the sample with a strong intensity distribution, and the adjacent partial area is located in the scanning area in the at least one direction where the maximum intensity value is close to the zero point of the guide light. The scanning luminescence optical microscope according to claim 23, further comprising an adjacent switch-off light source.
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